一種可用近紅外光激發(fā)的電壓熒光納米探針

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，Journal of the American Chemical Society于4月8日在線發(fā)表了題為“Near-Infrared Voltage Nanosensors Enable Real-Time Imaging of Neuronal Activities in Mice and Zebrafish”的研究論文，報(bào)道了中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜久林研究組與中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所施劍林、步文博研究組的一項(xiàng)合作研究成果。該研究開發(fā)了一種可用近紅外光激發(fā)的電壓熒光納米探針，成功監(jiān)測了斑馬魚和小鼠腦中神經(jīng)元膜電位的動(dòng)態(tài)變化。

群體神經(jīng)元活動(dòng)的在體檢測是揭示神經(jīng)系統(tǒng)功能機(jī)制的關(guān)鍵。目前，神經(jīng)元鈣離子熒光成像是主要手段之一。然而，相比于神經(jīng)脈沖信號，鈣離子熒光信號的動(dòng)力學(xué)相對較慢，且很難推斷出與之對應(yīng)的神經(jīng)脈沖的頻率和數(shù)量。因此，神經(jīng)科學(xué)界迫切期望能開發(fā)出對細(xì)胞膜電位變化敏感、有高信噪比的納米粒子或熒光分子探針，從而實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率、大范圍神經(jīng)元集群電活動(dòng)的活體檢測?，F(xiàn)有的熒光電壓探針只能用紫外或可見光激發(fā)，因其在活組織中易于吸收和散射而只能應(yīng)用于大腦淺層。相比于可見光或紫外光，紅外光（750 nm ~ l000 nm）在生物組織中穿透能力更強(qiáng)，穿透深度可達(dá)厘米量級，被稱為“生物組織的光學(xué)窗口”。因此，如何研發(fā)高靈敏的、并可用近紅外光激發(fā)的電壓敏感探針已成為目前國際神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域重點(diǎn)攻克的技術(shù)難關(guān)之一。

稀土元素?fù)诫s的上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNPs）是一類近紅外光激發(fā)，紫外、可見光多重發(fā)射的反斯托克斯發(fā)光納米材料。由于其深組織穿透度、低背景熒光、多重發(fā)射的特性，已在生物成像與活體診療的應(yīng)用中獲得廣泛關(guān)注。在該工作中，研究人員設(shè)計(jì)和制備了一種基于UCNPs的電壓敏感探針。首先將UCNPs固定在細(xì)胞膜上，然后將六硝基二苯胺（DPA）嵌入細(xì)胞膜磷脂雙分子層。在細(xì)胞靜息狀態(tài)下，帶負(fù)電荷的DPA在細(xì)胞膜外側(cè)富集，UCNP與DPA之間距離在10 nm以內(nèi)，因此形成發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移體系（FRET），UCNPs發(fā)光被DAP吸收，檢測到的光信號較弱。當(dāng)細(xì)胞去極化后，DPA在電場作用下在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)富集，UCNP與DPA之間距離超過10 nm，F(xiàn)RET效應(yīng)消失，從而恢復(fù)UCNPs的發(fā)光。

為驗(yàn)證該電壓納米探針在神經(jīng)元電活動(dòng)檢測中的優(yōu)勢，研究人員應(yīng)用該納米探針分別檢測了斑馬魚前腦神經(jīng)元的嗅覺反應(yīng)和小鼠新皮層神經(jīng)元膜電位振蕩隨麻醉深度的變化。神經(jīng)元的電活動(dòng)具有豐富的動(dòng)態(tài)性，而以往開發(fā)的基于熒光蛋白電壓探針的信噪比較低，大都需要平均多次才能得到清晰的感覺反應(yīng)。更嚴(yán)重的是，此類探針極易熒光淬滅，因此可記錄時(shí)間較短，嚴(yán)重限制了其實(shí)用性。應(yīng)用新開發(fā)的電壓納米探針，研究人員研究了斑馬魚前腦神經(jīng)元對食物刺激的反應(yīng)。在近紅外光激發(fā)下，單次施加該食物刺激即可顯著增強(qiáng)神經(jīng)元的熒光信號，并可在連續(xù)數(shù)次刺激下穩(wěn)定記錄。進(jìn)一步地，得益于UCNPs較低程度的淬滅，活體記錄時(shí)間可長達(dá)30分鐘，遠(yuǎn)高于目前的蛋白分子探針。

圖注：電壓納米探針的設(shè)計(jì)及其感應(yīng)機(jī)理。首先，UCNPs固定在神經(jīng)元細(xì)胞膜上。其次，將六硝基二苯胺（DPA）嵌入細(xì)胞膜磷脂雙分子層。在神經(jīng)元靜息狀態(tài)下，帶負(fù)電荷的DPA在細(xì)胞膜外側(cè)富集，UCNP與DPA之間形成發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移體系（FRET），UCNPs發(fā)光被DAP吸收，檢測到的光信號弱。當(dāng)神經(jīng)元去極化后，DPA在電場作用下在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)富集，F(xiàn)RET效應(yīng)減弱，從而恢復(fù)UCNPs的發(fā)光。

哺乳動(dòng)物神經(jīng)元膜電位的閾下振蕩，反映了動(dòng)物個(gè)體的腦狀態(tài)及其變化。在深度睡眠和麻醉狀態(tài)下，腦狀態(tài)主要是慢波；在動(dòng)物趨于清醒時(shí)，慢波減弱甚至消失，取代以高頻電活動(dòng)?；阝}離子成像所反映的神經(jīng)活動(dòng)難以體現(xiàn)這種閾下膜電位振蕩，研究人員在小鼠初級體感皮層中注入電壓納米探針，并考察了戊巴比妥麻醉不同深度下的神經(jīng)元閾下膜電位活動(dòng)。在深度麻醉狀態(tài)下，納米探針發(fā)光存在低頻振蕩現(xiàn)象，提示此狀態(tài)下閾下膜電位以慢波為主。通過機(jī)械刺激小鼠尾巴提高其清醒水平后，納米探針發(fā)光的低頻振蕩先減弱，高頻成分相對增強(qiáng)，在10分鐘后恢復(fù)至原有水平。此現(xiàn)象說明納米探針的發(fā)光強(qiáng)度可真實(shí)反映腦電成分的相應(yīng)變化。

綜上所述，該工作為設(shè)計(jì)可用近紅外光激發(fā)的電壓敏感探針提供了全新思路，為探究深層活體組織中神經(jīng)活動(dòng)開辟了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的新方法。

該項(xiàng)工作由杜久林組博士后劉佳男、副研究員張榮偉和尚春峰在研究員杜久林以及上海硅酸鹽所研究員施劍林、步文博的共同指導(dǎo)下完成。杜久林研究組博士張俞、許兵以及蒲慕明研究組的馮蕓也做了重要貢獻(xiàn)。該工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部、中科院和上海市的資助。