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灵敏而特异的钾纳米传感器可检测癫痫发作

2020-02-11 11:09:56 • 来源：

基础科学研究院(韩国IBS)内的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，报告了一种高度灵敏，特异的纳米传感器，该传感器可以监测经历癫痫的小鼠中钾离子的动态变化。癫痫发作，表明它们的强度和起源于大脑。

灵敏而特异的钾纳米传感器可检测癫痫发作

癫痫病是一种中枢神经系统疾病，伴有异常的脑部活动，引起癫痫发作或不正常的行为，感觉，有时甚至意识丧失。如果癫痫发作持续30分钟或更长时间，则可能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。

主要研究目标之一是钾(K +)离子。该离子影响神经元内外膜之间的电位差，并影响神经元固有的兴奋性和突触传递。尽管为改善K +传感器的选择性付出了巨大的努力，但由于目前可用的光学报告分子不能检测钾离子的细微变化，特别是在自由移动的动物中，它们仍不能令人满意。此外，它们容易受到钠离子的干扰，因为当脉冲沿着神经细胞的膜传递时，Na +的流入很快就会跟随K +的流出。在本研究中发表研究人员在《自然纳米技术》杂志上报道了一种高度敏感和选择性的K +纳米传感器，该传感器可以监测自由移动小鼠大脑不同部位K +的变化。

新型纳米传感器是由多孔二氧化硅纳米颗粒制成的，该纳米颗粒被超薄的钾可渗透膜屏蔽，该膜与脑细胞中的钾通道非常相似。孔的大小仅允许K +扩散进出，达到低至1.3微摩尔的检测极限。这允许特定读出亚细胞外K +的亚毫摩尔变化以及该离子在大脑中的空间定位。

这项研究成功地证明，纳米传感器上的K +渗透膜过滤器可有效滤出其他阳离子并仅捕获K +离子。这种纳米传感器的构建策略不仅将有助于神经科学研究的科学发现和突破，而且还将有助于开发其他选择性离子传感器。

通过在海马CA3区使用这些纳米传感器，研究小组能够报告活体小鼠癫痫发作的程度，并将其与脑电图(EEG)记录的神经活动进行比较。

为了进一步检查纳米传感器是否能够测量自由移动小鼠大脑的多个子区域中的K +，研究人员将纳米传感器注入了小鼠大脑的三个不同位置：海马，杏仁核和皮层。在海马体进行电刺激后，同时记录注入位置的纳米传感器的脑电图和光学响应。有趣的是，外部K +随着时间的推移，局灶性癫痫发作中海马浓度到杏仁核和皮质的浓度增加，而在全身性癫痫发作的三个大脑区域中浓度几乎同时增加。这些结果与广为接受的观点一致，即海马体中的电刺激首先涉及邻近的大脑区域，然后传播到整个大脑。

IBS纳米粒子研究中心主任(首尔国立大学特聘教授)Hyeon Taeghwan指出：“进一步开发这些纳米传感器可以促进诊断和治疗，减少手术需求。理想情况下，这些纳米传感器可以还携带抗癫痫药，以在癫痫发作的大脑的正确部位释放。”

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