p Os pesquisadores desenvolveram uma série de íons de potássio (K ⁺ ) sondas para detectar K flutuante ⁺ concentrações durante uma variedade de processos biológicos. Contudo, tais sondas não são sensíveis o suficiente para detectar flutuações fisiológicas em animais vivos e não é fácil monitorar tecidos profundos com excitações de comprimento de onda curto que estão em uso até agora. Em um novo relatório, Jianan Liu e uma equipe de pesquisadores em neurociência, química, e engenharia molecular na China, descrevem um nanosensor altamente sensível e seletivo para infravermelho próximo (NIR) K ⁺ imagem de íons em células vivas e animais. A equipe construiu o nanosensor encapsulando nanopartículas de conversão ascendente (UCNPs) e um indicador de íon de potássio comercial na cavidade oca de nanopartículas de sílica mesoporosa e as revestiu com um K ⁺ membrana de filtro seletivo. A membrana adsorveu K ⁺ do meio e filtrados para longe de quaisquer cátions interferentes. Em seu mecanismo de ação, UCNPs converteu NIR em luz ultravioleta (UV) para excitar o indicador de íon potássio e detectar concentrações flutuantes de íon potássio em células cultivadas e em modelos animais de doença, incluindo camundongos e larvas de peixe-zebra. Os resultados agora são publicados em Avanços da Ciência . p O potássio catiônico intracelular mais abundante (K ⁺ ) é extremamente crucial em uma variedade de processos biológicos, incluindo a transmissão neural, batimento cardiaco, contração muscular e função renal. Variações no K intracelular ou extracelular ⁺ concentração (referida aqui como [K ⁺ ]) sugerem funções fisiológicas anormais, incluindo disfunção cardíaca, Câncer, e diabetes. Como resultado, pesquisadores estão ansiosos para desenvolver estratégias eficazes para monitorar a dinâmica de [K ⁺ ] flutuações, especificamente com imagem ótica direta.

p A maioria das sondas existentes não são sensíveis a K ⁺ detecção sob condições fisiológicas e não pode diferenciar flutuações entre [K ⁺ ] e o íon de sódio acompanhante ([Na ⁺ ]) durante o transporte transmembrana no Na ⁺ / K ⁺ bombas. Enquanto a imagem de fluorescência pode distinguir K ⁺ e Na ⁺ em solução de água, o método requer instrumentos especializados. Mais K ⁺ os sensores também são ativados com luz de comprimento de onda curto, incluindo ultravioleta (UV) ou luz visível - levando a uma dispersão significativa e profundidade de penetração limitada ao examinar tecidos vivos. Em contraste, a técnica de imagem de infravermelho próximo (NIR) proposta oferecerá vantagens exclusivas durante a imagem de tecido profundo como uma alternativa plausível.

p Projetando o K ⁺ nanossensor e caracterizando sua estrutura

p Para projetar o nanosensor, Liu et al. nanopartículas de conversão ascendente encapsuladas (UCNPs) e um K comercial ⁺ indicador - isoftalato de benzofurano de ligação de potássio (PBFI) no núcleo de nanopartículas de sílica mesoporosa (MSNs). Os UCNPs foram capazes de converter a luz NIR em luz ultravioleta e excitar o aceitador do K ⁺ indicador através da transferência de energia de ressonância luminescente. Eles protegeram a superfície externa das nanopartículas de sílica com uma fina camada de K ⁺ membrana de filtro seletivo com microporos criados a partir de oxigênio carbonil para especificidade. A configuração favoreceu a transferência livre de K ⁺ através do poro da membrana, enquanto evita que outros cátions biologicamente relevantes se difundam. A técnica permitiu-lhes detectar ligeiras flutuações em [K ⁺ ] na solução. A equipe usou microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para observar a estrutura bem controlada e a aparência das nanopartículas durante cada etapa da construção do nanosensor. O espalhamento de luz dinâmico confirmou a presença de uma membrana de filtro na superfície do nanossensor blindado.

p Desempenho do nanossensor na água e durante [K ⁺ ] flutuações nas células.

p A equipe testou a sensibilidade aprimorada do nanossensor blindado em uma faixa fisiológica (0 a 150 mM) e mostrou um aumento de 12 vezes na intensidade de fluorescência em comparação com os nanossensores não blindados. O K ⁺ sondas tiveram que exibir alta seletividade contra Na ⁺ , em que Liu et al. verificado usando o nanosensor protegido detectando rapidamente a sensibilidade de fluorescência consistente para [K ⁺ ], enquanto permanece inalterado pelo aumento de [Na ⁺ ]

p Uma vez que as células vivas dependem da adenosina trifosfatase sódio-potássio (Na ⁺ / K ⁺ bomba) para manter uma inclinação [K ⁺ ] gradiente através de sua membrana plasmática, o processo é parcialmente responsável pelo gasto de energia da célula. Defeitos no metabolismo da energia celular podem levar a uma perda de [K ⁺ ] gradiente, ao dar origem a extracelular [K ⁺ ] conhecido como [K ⁺ ] _0, que os cientistas monitoraram para obter um indicador valioso de viabilidade e crescimento celular. Depois disso, eles aumentaram a especificidade do nanossensor para detectar morte celular ou taxas de proliferação enxertando polietilenoglicol (PEG) na superfície dos nanossensores em um meio de cultura contendo a linha celular 293 de rim embrionário humano. Eles então otimizaram o protocolo ancorando um grande número de nanosensores em membranas celulares usando nanosensores conjugados com estreptavidina a células modificadas com biotina. Os resultados destacaram a sensibilidade aprimorada de nanosensores blindados para monitorar continuamente o K ⁺ efluxo.

p Espalhando ondas no cérebro intacto do camundongo

p A equipe então aplicou o nanosensor blindado para investigar a depressão alastrante cortical (CSD) no cérebro do camundongo como uma propagação da atividade neural em forma de onda. O processo normalmente envolve uma liberação de propagação lenta de K ⁺ na superfície cortical e pode ser desencadeada no cérebro do camundongo por meio da incubação de cloreto de potássio (KCl). Os cientistas monitoraram simultaneamente o potencial de campo local e o sinal óptico através da janela craniana cirúrgica e observaram uma onda de aumento de [K ⁺ ] ₀ propagam-se gradualmente através do córtex após a estimulação. Liu et al. não observaram uma onda em camundongos injetados com nanossensores não blindados, indicando a importância do filtro externo para melhorar a sensibilidade do nanossensor. A velocidade da onda registrada não variou significativamente dos valores obtidos usando ressonância magnética dependente do nível de oxigênio do sangue (MRI) em pacientes com aura de enxaqueca.

p Para estender as aplicações do nanosensor, Liu et al. monitorou os níveis de cálcio neuronal e as concentrações extracelulares de potássio usando larvas de peixe-zebra. Embora um grande aumento na concentração de potássio extracelular possa causar intensa ativação neuronal para causar CSD e epilepsia, não existe evidência direta para mostrar mudanças no potássio extracelular durante a doença. A equipe, portanto, projetou um modelo de doença usando larvas de peixe-zebra para aumentar as concentrações extracelulares de potássio e observou a ativação neuronal característica da doença em regiões específicas do cérebro.

p Desta maneira, Jianan Liu e seus colegas projetaram um nanossensor de íon de potássio com sensibilidade e seletividade extremamente altas. O revestimento externo de uma membrana de filtro seletiva aumentou a seletividade, sensibilidade, e cinética do dispositivo para rápida e quantitativa [K ⁺ ] detecção em células vivas e cérebros intactos. O nanosensor blindado terá amplas aplicações na pesquisa do cérebro para melhorar a compreensão de [K ⁺ doenças relacionadas com]. O método, juntamente com endoscópio baseado em fibra óptica e fotometria, permitirá imagens de potássio em tempo real em animais que se movem livremente. p © 2020 Science X Network