Les chercheurs ont développé un certain nombre d'ions potassium (K ⁺ ) sondes pour détecter les fluctuations de K ⁺ concentrations au cours de divers processus biologiques. Cependant, de telles sondes ne sont pas suffisamment sensibles pour détecter les fluctuations physiologiques chez les animaux vivants et il n'est pas facile de surveiller les tissus profonds avec des excitations à courte longueur d'onde qui sont utilisées jusqu'à présent. Dans un nouveau rapport, Jianan Liu et une équipe de chercheurs en neurosciences, chimie, et l'ingénierie moléculaire en Chine, décrivent un nanocapteur hautement sensible et sélectif pour le proche infrarouge (NIR) K ⁺ imagerie ionique dans les cellules vivantes et les animaux. L'équipe a construit le nanocapteur en encapsulant des nanoparticules de conversion ascendante (UCNP) et un indicateur commercial d'ions potassium dans la cavité creuse de nanoparticules de silice mésoporeuses et les a recouvertes d'un K ⁺ membrane filtrante sélective. La membrane adsorbée K ⁺ du milieu et filtré tous les cations interférents. Dans son mécanisme d'action, Les UCNP ont converti le NIR en lumière ultraviolette (UV) pour exciter l'indicateur d'ions potassium et détecter les concentrations fluctuantes d'ions potassium dans les cellules en culture et dans les modèles animaux de maladie, y compris les souris et les larves de poisson zèbre. Les résultats sont maintenant publiés sur Avancées scientifiques .

Le cation intracellulaire le plus abondant potassium (K ⁺ ) est extrêmement crucial dans une variété de processus biologiques, y compris la transmission neuronale, battement de coeur, contraction musculaire et fonction rénale. Variations du K intracellulaire ou extracellulaire ⁺ concentration (appelée ici [K ⁺ ]) suggèrent des fonctions physiologiques anormales, y compris un dysfonctionnement cardiaque, cancer, et le diabète. Par conséquent, les chercheurs sont désireux de développer des stratégies efficaces pour surveiller la dynamique de [K ⁺ ] fluctuations, spécifiquement avec l'imagerie optique directe.

La plupart des sondes existantes ne sont pas sensibles à K ⁺ détection dans des conditions physiologiques et ne peut pas différencier les fluctuations entre [K ⁺ ] et l'ion sodium qui l'accompagne ([Na ⁺ ]) lors du transport transmembranaire dans le Na ⁺ /K ⁺ pompes. Alors que l'imagerie de fluorescence à vie peut distinguer K ⁺ et Na ⁺ en solution aqueuse, la méthode nécessite des instruments spécialisés. La plupart des K ⁺ les capteurs sont également activés avec de la lumière à courte longueur d'onde, y compris la lumière ultraviolette (UV) ou visible, ce qui entraîne une diffusion importante et une profondeur de pénétration limitée lors de l'examen des tissus vivants. En revanche, la technique d'imagerie proche infrarouge (NIR) proposée offrira des avantages uniques lors de l'imagerie des tissus profonds en tant qu'alternative plausible.

Pour concevoir le nanocapteur, Liu et al. nanoparticules de conversion ascendante encapsulées (UCNP) et un K commercial ⁺ indicateur :l'isophtalate de benzofurane fixant le potassium (PBFI) dans le cœur des nanoparticules de silice mésoporeuses (MSN). Les UCNP ont pu convertir la lumière NIR en lumière UV et exciter l'accepteur du K ⁺ indicateur par transfert d'énergie de résonance de luminescence. Ils ont protégé la surface externe des nanoparticules de silice avec une fine couche de K ⁺ membrane filtrante sélective avec des micropores créés à partir d'oxygène carbonyle pour la spécificité. La configuration a favorisé le transfert gratuit de K ⁺ à travers le pore membranaire, tout en empêchant d'autres cations biologiquement pertinents de se diffuser. La technique leur a permis de détecter de légères fluctuations de [K ⁺ ] dans la solution. L'équipe a utilisé la microscopie électronique à transmission (MET) pour observer la structure et l'apparence bien contrôlées des nanoparticules à chaque étape de la construction du nanocapteur. La diffusion dynamique de la lumière a confirmé la présence d'une membrane filtrante à la surface du nanocapteur blindé.

L'équipe a testé la sensibilité améliorée du nanocapteur blindé dans une plage physiologique (0 à 150 mM) et a montré une augmentation de 12 fois de l'intensité de fluorescence par rapport aux nanocapteurs non blindés. Le K ⁺ les sondes devaient afficher une sélectivité élevée contre Na ⁺ , que Liu et al. vérifié à l'aide du nanocapteur blindé en détectant rapidement une sensibilité de fluorescence constante aux fluctuations [K ⁺ ], tout en n'étant pas affecté par l'augmentation de [Na ⁺ ].

Étant donné que les cellules vivantes dépendent de l'adénosine triphosphatase sodium-potassium (Na ⁺ /K ⁺ pompe) pour maintenir une pente [K ⁺ ] gradient à travers leur membrane plasmique, le processus est en partie responsable de la dépense énergétique de la cellule. Des défauts dans le métabolisme énergétique cellulaire peuvent entraîner une perte du [K ⁺ ] pente, tout en donnant naissance à des [K ⁺ ] connu sous le nom de [K ⁺ ] 0, que les scientifiques ont suivi pour obtenir un indicateur précieux de la viabilité et de la croissance cellulaires. Après, ils ont augmenté la spécificité du nanocapteur pour détecter la mort cellulaire ou les taux de prolifération en greffant du polyéthylène glycol (PEG) à la surface des nanocapteurs dans un milieu de culture contenant la lignée cellulaire 293 de rein embryonnaire humain. Ils ont ensuite optimisé le protocole en ancrant un grand nombre de nanocapteurs sur des membranes cellulaires à l'aide de nanocapteurs conjugués à la streptavidine dans des cellules modifiées par la biotine. Les résultats ont mis en évidence une sensibilité améliorée des nanocapteurs blindés pour surveiller en permanence le K ⁺ efflux.

L'équipe a ensuite appliqué le nanocapteur blindé pour étudier la dépression à propagation corticale (CSD) dans le cerveau de la souris en tant que propagation ondulatoire de l'activité neuronale. Le processus implique généralement une libération lente de propagation de K ⁺ dans la surface corticale et pourrait être déclenchée dans le cerveau de souris via une incubation de chlorure de potassium (KCl). Les scientifiques ont simultanément surveillé le potentiel de champ local et le signal optique à travers la fenêtre crânienne chirurgicale et ont observé une vague de [K ⁺ ] 0 se propagent progressivement à travers le cortex après stimulation. Liu et al. n'a pas observé d'onde chez les souris injectées avec des nanocapteurs non blindés, indiquant l'importance du filtre externe pour une meilleure sensibilité du nanocapteur. La vitesse d'onde enregistrée n'a pas varié de manière significative par rapport aux valeurs obtenues en utilisant l'imagerie par résonance magnétique (IRM) dépendante du niveau d'oxygène dans le sang chez les patients souffrant d'aura migraineuse.

Pour étendre les applications du nanocapteur, Liu et al. surveillé les niveaux de calcium neuronal et les concentrations de potassium extracellulaire à l'aide de larves de poisson zèbre. Alors qu'une forte augmentation de la concentration de potassium extracellulaire peut provoquer une activation neuronale intense pour provoquer la CSD et l'épilepsie, aucune preuve directe n'existe pour montrer des changements dans le potassium extracellulaire au cours de la maladie. L'équipe a donc conçu un modèle de maladie utilisant des larves de poisson zèbre pour augmenter les concentrations de potassium extracellulaire et a observé une activation neuronale caractéristique de la maladie dans des régions spécifiques du cerveau.

De cette façon, Jianan Liu et ses collègues ont conçu un nanocapteur d'ions potassium avec une sensibilité et une sélectivité extrêmement élevées. Le revêtement externe d'une membrane filtrante sélective a amélioré la sélectivité, sensibilité, et la cinétique du dispositif pour une rapide et quantitative [K ⁺ ] détection dans des cellules vivantes et des cerveaux intacts. Le nanocapteur blindé aura de larges applications dans la recherche sur le cerveau pour améliorer la compréhension des anomalies [K ⁺ maladies liées à ]. La méthode associée à l'endoscope à fibre optique et à la photométrie permettra une imagerie du potassium en temps réel chez les animaux se déplaçant librement.

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