科学家|科学家可以通过量子点可视化脑细胞分子过程生物学

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有一种技术可以让科学家有选择地定位细胞并对细胞进行颜色编码。量子点是纳米尺寸的微小粒子，具有独特的物理特性，可以发出彩虹般明亮的荧光。它们也可以进行分子功能化，这意味着您可以通过化学方式将其他分子和蛋白质连接到它们的表面，从而以有针对性的方式与不同的细胞相互作用。这使得它们非常适合可视化和跟踪细胞内的分子过程，包括大脑中的神经元和神经系统的其他部分。
什么是量子点，它们是如何工作的？
如果你把它注入一个原子，例如，用特定波长的光照射它，原子核周围的电子就会被激发并跃升到更高的能级。但是它们在这个较高的水平上往往是不稳定的，因此最终会放松回到更稳定的较低水平。当他们这样做时，需要从他们获得的额外能量中分离出来。他们通过将能量以光的形式发射回来来做到这一点。
量子点以类似的方式工作。但它们不是单个原子，而是更大的半导体粒子。它们吸收特定波长的光，作为回报，它们会发出不同颜色的光——它们发出荧光。然而，使量子点成为如此有趣的纳米技术的是它们显示的独特特性。首先，它们发出荧光的颜色不取决于它们的制造材料，而是取决于量子点的大小和直径。
此外，量子点具有广泛的吸收光谱——这意味着它们可以在相对较宽的光波长范围内被激发。然而，它们的发射光谱非常窄：任何量子点发回的光波长范围非常窄。波长决定颜色，因此窄的发射光谱意味着量子点能够以非常特定的颜色发光。这就是为什么它们会产生如此独特的彩虹般的非整体色彩。反过来，窄发射光谱允许颜色的多路复用——您可以使用不同颜色的量子点来选择性地结合和标记细胞中不同的不同分子和蛋白质，这是一个很大的优势。
同时，它们也缓慢地光漂白。这意味着它们的颜色强度会随着时间的推移缓慢衰减，这与细胞生物学中常用的其他分子标记形成鲜明对比。科学家利用这一特性来“跟踪”分子如何随着时间的推移在细胞内移动，因为量子点标签会在很长一段时间内继续发出荧光。
它们还具有闪烁特性，可以识别样本中的单个量子点。因此，可以随着时间的推移识别和跟踪单分子结合事件，这是其他分子方法很难做到的。
量子点如何能够靶向和标记特定分子？量子点的核心通常由重金属组成，例如硒镉或碲化镉，但最近也可能由其他材料制成的量子点。围绕该核的是中间非反应层，例如硫化锌壳。量子点的光学特性都是与其核心相关的物理学的结果。但它是一种定制的外涂层，允许它与目标分子结合并特异性相互作用，同时忽略其他一切。外涂层经过精心设计，由不同的生物活性分子组成，这些分子仅与在目标细胞上或内表达的目标分子结合。正是这种化学功能化的外涂层提供了量子点的结合特异性。至少在某些类型的细胞中，与天然分子化学结合的量子点很容易内化到细胞中，不会干扰细胞内的正常信号通路，而且似乎是无毒的。
神经科学中的量子点
与其他细胞类似，在神经科学中，量子点可用于在很长一段时间内（即从几秒钟到几分钟）可视化、测量和跟踪单个分子事件。但是对于大脑和神经系统的细胞而言，量子点特别适合在细胞解剖结构受限且紧密的情况下进行实验和测量，这是构成大脑的超密集细胞网络中的常见挑战。例如，在突触间隙的微小而分子密集的空间——两个神经元之间的连接点。
越来越多的研究和工作继续探索使用不同类型的量子点来标记神经细胞和研究它们的细胞生物学。在某些情况下，由于外涂层可以进行化学功能化，一些团队正在探索使用量子点作为帕金森病等疾病的生物标志物。目标是开发新的诊断方法，可以在症状和神经功能缺损发展之前及早检测到分子变化。能够这样做将使临床医生能够更早地进行干预，并有望延迟甚至阻止疾病的进展。