大脑的异常电活动一直是评价包括癫痫在内的多种神经系统疾病的重要指标，而钾离子的浓度变化则是决定神经元膜电位的关键因素。随着纳米技术的开发与应用，多种钾离子传感器已经得到了开发。然而，目前的检测技术主要是针对体外培养的细胞、小鼠的大脑切片以及麻醉状态的动物模型，对于意识清楚、活动自由的生命体大脑中钾离子变化的监测一直是研究的一个难点。

近期，Nature Nanotechnology 上发表了浙江大学凌代舜教授、陈忠教授与韩国基础科学研究所Taeghwan Hyeon教授等研究者的论文，他们用超薄钾离子可渗透膜包裹内含钾离子指示剂的介孔二氧化硅纳米粒，构成具有高灵敏度和高特异性的钾离子纳米传感器，从而实现了对活动小鼠大脑中钾离子的无损动态监测，让科研人员可以一窥自由活动的小鼠脑内钾离子的变化情况。这一传感器能够通过其表面超薄可渗透膜上的离子通道特异性的识别钾离子并阻断其它离子进入，因而具有较高的选择性。同时，由于超薄可渗透膜的存在，其它离子的干扰信号被消除，该系统对钾离子信号识别的灵敏度也得到了提升。

图1. 高敏感性和特异性的钾离子纳米传感器的设计与性能。图片来源：Nat. Nanotechnol.

研究者发现，介孔二氧化硅纳米粒的孔径远大于水合状态下钾离子和钠离子的直径，因而不能区分这两种离子。为解决这个问题，研究者使用一种三维（3D）“三脚架”配体（图1b）在介孔二氧化硅纳米粒表面形成厚度可控的薄膜，这种超薄钾离子可渗透膜可特异性的允许钾离子进出二氧化硅纳米粒上的介孔，钾离子与介孔中包埋的市售钾离子指示剂接触即可诱导荧光信号，从而实现了对活动小鼠大脑中钾离子的无损动态监测。

通过EDS能谱分析，研究者发现超薄钾离子可渗透膜中钾原子的信号与氧原子非常接近。而分子动力学模拟结果也显示，当与六个水分子配位的钾原子进入超薄可渗透膜孔时，由于K-O键长与膜孔半径相似，膜孔的六个羰基氧原子可以很容易地取代钾离子六个配位水分子的氧原子。也就是说，钾离子可以完美“适配”膜孔，脱去配位水分子，从而顺利地进出可渗透膜。相比之下，当与五个水分子配位的钠离子进入超薄可渗透膜孔时，由于Na-O键长要比膜孔半径小得多，钠离子与膜孔一侧的三个羰基氧原子配位之后，与另一侧羰基氧原子距离太远，无法顺利脱去另外两个水分子，也就无法顺利通过膜孔（图2e）。

图2. 纳米传感器高选择性和高灵敏度的机理研究。图片来源：Nat. Nanotechnol.

研究者将体外培养的海马神经元与含有纳米传感器的人工脑脊液共孵育，同时使用药物诱发神经元的癫痫样活动，监测了体外模型中该纳米传感器对钾离子信号的响应。他们发现，在存在钠离子干扰的仿真复杂环境中，包裹了超薄渗透膜的纳米粒对钾离子信号响应的灵敏度远高于未包裹渗透膜的的纳米粒。而通过短暂的电流脉冲刺激小鼠大脑神经元，其大脑切片中的钾离子信号变化也能够被包裹了超薄渗透膜的纳米粒很好地识别。

图3. 包裹了超薄渗透膜的纳米粒识别海马神经元中的钾离子信号。图片来源：Nat. Nanotechnol.

图4. 包裹了超薄渗透膜的纳米粒识别小鼠大脑切片中的钾离子信号。图片来源：Nat. Nanotechnol.

接下来，研究者将该纳米传感器颅内注射于小鼠癫痫发作时异常兴奋的海马CA3区域中，并诱发小鼠产生癫痫。通过记录该纳米传感器在活动小鼠中产生的荧光信号，并与脑电图信号做比照，证实了该纳米传感器对活动小鼠大脑中钾离子信号识别的灵敏度及其应用性。此外，通过将该纳米传感器注射于小鼠大脑的不同区域（海马、杏仁核和脑皮质），并从海马区域释放刺激信号，研究者能够动态的观察到不同区域中与脑电图变化一致的钾离子荧光信号图谱。

图4. 自由活动小鼠大脑中钾离子荧光信号的动态变化及其脑电图。图片来源：Nat. Nanotechnol.

该文章不仅创新性的采用了超薄离子选择性可渗透膜包裹纳米粒的方法提高了纳米材料对钾离子识别的选择性和灵敏度，更将这种材料应用在活体小鼠大脑中钾离子的动态监测中，为临床精准定位病灶和施药提供了可能。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A sensitive and specific nanosensor for monitoring extracellular potassium levels in the brain

Jianan Liu, Fangyuan Li, Yi Wang, Limin Pan, Peihua Lin, Bo Zhang, Yanrong Zheng, Yingwei Xu, Hongwei Liao, Giho Ko, Fan Fei, Cenglin Xu, Yang Du, Kwangsoo Shin, Dokyoon Kim, Sung-Soo Jang, Hee Jung Chung, He Tian, Qi Wang, Wei Guo, Jwa-Min Nam, Zhong Chen, Taeghwan Hyeon, Daishun Ling

Nat. Nanotechnol., 2020, DOI: 10.1038/s41565-020-0634-4

（本文由传光簇供稿）