基于CMOS技术的无标记钙离子图像传感器开发及其在细胞外Ca2+动态可视化中的应用

研究人员针对细胞外Ca2+(Ca2+o)动态监测技术匮乏的问题，开发了一种无标记Ca2+图像传感器(CIS)。该传感器通过CMOS工艺集成Ca2+选择性离子膜，成功实现海马切片中谷氨酸诱导的Ca2+o时空动态可视化，证实NMDA受体介导的Ca2+内流机制。这项技术为生理病理过程中Ca2+o功能研究提供了革命性工具。

　　

钙离子作为生命活动的"万能信使"，在细胞内信号传导中已被广泛研究，但细胞外钙离子(Ca²⁺o)的动态变化却长期处于研究盲区。这种失衡源于技术瓶颈：传统微电极只能单点测量，而基因编码荧光探针需要复杂的转染操作。更棘手的是，在癫痫发作、缺血等病理状态下，Ca²⁺o的剧烈波动直接影响神经兴奋性，却缺乏有效的观测手段。日本研究人员在《Biosensors and Bioelectronics》发表的突破性研究，带来了一种革命性的解决方案——无标记Ca²⁺图像传感器(CIS)。

研究团队采用标准CMOS工艺制备128×128像素传感器阵列，通过涂覆Ca²⁺选择性离子膜实现离子-电信号转换。海马切片实验采用谷氨酸刺激模型，结合NMDA/AMPA受体拮抗剂验证机制。

CIS开发与校准
传感器核心是涂覆聚氯乙烯(PVC)基Ca²⁺离子膜的3.01×3.01 mm²阵列，单个像素尺寸23.55 μm，时间分辨率达33 ms。选择性测试显示其对Ca²⁺的响应远超Na⁺、K⁺等干扰离子。

海马切片Ca²⁺o动态观测
谷氨酸刺激引发CA1区锥体细胞层最显著的Ca²⁺o下降，这种效应可被NMDA受体拮抗剂AP5阻断，而AMPA受体拮抗剂CNQX无效。时空动态分析揭示不同 hippocampal亚区存在异质性响应模式。

结论与意义
该研究首次实现无标记、全视野的Ca²⁺o动态成像，证实NMDA受体是神经元Ca²⁺内流的主要门户。CIS技术的优势在于：①无需基因操作即可应用于人类临床样本；②33 ms时间分辨率可捕捉瞬态电活动；③23.55 μm空间精度能解析脑区特异性响应。这项突破为研究癫痫、缺血等疾病的Ca²⁺o调控机制开辟了新途径，也为开发新型神经调控策略提供了技术支撑。