基础科学研究所 显示钾离子纳米传感器设计的示意图
K+指示剂结合在纳米孔内
纳米孔表面上的薄钾离子特异性滤膜仅允许钾离子内化
过滤膜的化学结构
显示去离子水中钾离子(红色的钾离子)、钠离子(紫色的钠离子)和钠离子的水合外壳的示意图
滤膜腔与钾离子/钠离子相互作用的示意图和计算结合能
信用:IBS 基础科学研究所(IBS，韩国)纳米粒子研究中心的研究人员与中国浙江大学的合作者合作，报告了一种高度敏感和特异的纳米传感器，可以监测癫痫发作小鼠体内钾离子的动态变化，表明它们在大脑中的强度和来源
癫痫是一种伴有异常大脑活动的中枢神经系统疾病，可导致癫痫发作或异常行为、感觉期，有时还会丧失意识
如果癫痫发作持续30分钟或更长时间，它们会导致永久性脑损伤甚至死亡
众所周知，需要技术来评估与癫痫相关的异常电活动的程度
主要研究对象之一是钾离子
该离子影响神经元内膜和外膜之间的电势差，并影响神经元固有的兴奋性和突触传递
尽管为提高钾离子传感器的选择性做了大量的努力，但它们仍然远不能令人满意，因为目前可用的光学报告器不能检测钾离子的微小变化，特别是在自由移动的动物中
此外，它们容易受到钠离子的干扰，因为当脉冲通过神经细胞膜时，钠离子流入后很快就会流出钾离子
在这项发表在《自然纳米技术》杂志上的研究中，研究人员报告了一种高度敏感和选择性的钾离子纳米传感器，它可以监测自由移动的小鼠大脑不同部位的钾离子变化
在点燃诱导的癫痫小鼠模型中外部钾浓度感应的体内实验方案，其中重复电刺激增加癫痫发作的严重程度
不同癫痫发作阶段小鼠的同步神经活动记录和荧光成像(b:癫痫发作阶段3；c:扣押阶段5)
信用:IBS 这种新的纳米传感器是由多孔二氧化硅纳米粒子制成的，由超薄的钾渗透膜屏蔽，与脑细胞中的钾通道非常相似
孔的大小只允许钾离子扩散，检测限低至1
3微摩尔
这使得细胞外钾离子亚毫摩尔变化的特定读数和该离子在大脑中的空间映射成为可能
该研究成功地证明了纳米传感器上的钾离子渗透膜过滤器能够有效地过滤掉其他阳离子并专门捕获钾离子
这种纳米传感器的构建策略不仅有助于神经科学研究的科学发现和突破，也有助于其他选择性离子传感器的发展
利用海马CA3区的这些纳米传感器，研究小组能够报告活体小鼠的癫痫发作程度，并将其与脑电图记录的神经活动进行比较
在癫痫小鼠的三个不同脑区(海马、杏仁核和皮层)同时进行脑电图记录和钾离子感应的实验方案
在海马体的电刺激导致不同程度的癫痫发作后，脑电图记录和纳米传感器数据都显示杏仁核和皮层的反应
显示在小鼠大脑的三个不同位置的纳米传感器荧光信号的振幅(d)和持续时间(e)的依赖于癫痫发作阶段的变化的图表
信用:IBS 为了进一步检查纳米传感器是否能够在自由移动的小鼠大脑的多个子区域测量钾离子，研究人员将纳米传感器注射到小鼠大脑的三个不同位置:海马体、杏仁核和皮层。
海马电刺激后，同时记录纳米传感器在注射位置的脑电图和光学响应
有趣的是，在局灶性癫痫发作中，随着时间的推移，外部钾离子浓度从海马体到杏仁核和皮质逐渐增加，而在全身性癫痫发作中，三个脑区的钾离子浓度几乎同时增加
这些结果与广泛接受的观点一致，即海马体的电刺激首先涉及邻近的大脑区域，然后传播到整个大脑
首尔国立大学纳米粒子研究中心主任、该研究的主要作者Hyeon Taeghwan指出，“这些纳米传感器的进一步发展可以促进诊断和治疗，减少手术的需要
理想情况下，这些纳米传感器还可以携带抗癫痫药物，在癫痫发作的大脑右侧释放
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