Hochempfindlicher Nanosensor erkennt subtile Kaliumveränderungen im Gehirn

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Forscher haben eine Reihe von Kaliumionen-(K+)-Sonden entwickelt, um schwankende K+-Konzentrationen während einer Vielzahl von biologischen Prozessen nachzuweisen.

Solche Sonden sind jedoch nicht empfindlich genug, um physiologische Schwankungen in lebenden Tieren zu erkennen, und es ist nicht einfach, tiefe Gewebe mit kurzwelligen Erregungen zu überwachen, die bisher in Gebrauch sind.

In einem neuen Bericht beschreiben Jianan Liu und ein Team von Forschern aus den Bereichen Neurowissenschaften, Chemie und Molekulartechnik in China einen hochempfindlichen und selektiven Nanosensor für die K+-Ionenbildgebung im nahen Infrarot (NIR) in lebenden Zellen und Tieren.

Das Team konstruierte den Nanosensor, indem es Upconversion-Nanopartikel (UCNPs) und einen kommerziellen Kaliumionen-Indikator in den Hohlraum von mesoporösen Siliziumdioxid-Nanopartikeln einkapselte und diese mit einer K+-selektiven Filtermembran beschichtete.

Die Membran adsorbierte K+ aus dem Medium und filterte alle störenden Kationen heraus.

In seinem Wirkungsmechanismus wandelten UCNPs NIR in ultraviolettes (UV) Licht um, um den Kaliumionenindikator anzuregen und schwankende Kaliumionenkonzentrationen in kultivierten Zellen und in Tiermodellen von Krankheiten, einschließlich Mäusen und Zebrafischlarven, nachzuweisen.

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Die Ergebnisse werden jetzt auf Science Advances veröffentlicht.Das am häufigsten vorkommende intrazelluläre Kation Kalium (K+) ist für eine Vielzahl biologischer Prozesse wie neurale Übertragung, Herzschlag, Muskelkontraktion und Nierenfunktion von entscheidender Bedeutung.

Variationen in der intrazellulären oder extrazellulären K+-Konzentration (hier als [K+] bezeichnet) lassen auf abnorme physiologische Funktionen einschließlich Herzfunktionsstörungen, Krebs und Diabetes schließen.

Infolgedessen sind Forscher daran interessiert, wirksame Strategien zur Überwachung der Dynamik von [K+]-Fluktuationen zu entwickeln, insbesondere mit direkter optischer Bildgebung.Die meisten vorhandenen Sonden sind unter physiologischen Bedingungen nicht empfindlich für den K+-Nachweis und können während des Transmembrantransports in den Na+/K+-Pumpen keine Fluktuationen zwischen [K+] und dem begleitenden Natriumion ([Na+]) unterscheiden.

Während der Fluoreszenz….

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