Calcium-sensitive photoacoustic probe for noninvasive extracellular calcium monitoring

荧光 化学 钙显像 生物物理学 细胞外 近红外光谱 生物医学中的光声成像 生物化学 神经科学 光学 生物 物理 有机化学
作者
Frank DeLuna,Nicholas McMahon,Mayeul Collot,Jing Yong Ye
标识
DOI:10.1117/12.2545161
摘要

Changes in extracellular calcium concentrations ([Ca2+]e) can mediate a variety of biological responses in both excitable and nonexcitable cells. These changes can be seen in both physiological and pathological conditions; however, little is still known about their effects to neuronal excitability. Fluorescent calcium probes are essential tools for studying the fluctuation of calcium ions both in and out of cells. Unfortunately, current techniques utilizing these calcium probes have many limitations that have yet to be addressed, including lack of penetration depth and concurrent multiple site analysis in the whole brain. For example, fluorescence imaging suffers from light diffusion, a fundamental constraint that limits the imaging depth in tissue (< 1 mm). Photoacoustic tomography (PAT) has emerged as a promising imaging modality that overcomes this challenge. In this paper, we utilized a near infrared (NIR) ratiometric calcium fluorescent probe (Ca-NIR) as a unique photoacoustic calcium probe. Ca-NIR is based on fusing a selective calcium ligand BAPTA (1,2-bis-(o-aminophenoxy)ethane-N,N,N0,N0-tetraacetic acid) moiety to a dihydroxanthenehemicyanine fluorophore. We report the use of Ca-NIR as an efficient PA generating agent in various artificial cerebral-spinal fluid (aCSF) solutions with varying Ca2+ concentrations. Our result indicates high sensitivity of Ca-NIR to [Ca2+]e fluctuations in aCSF and great potential of utilizing Ca-NIR in PAT as a method for noninvasive whole brain [Ca2+]e imaging.

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