A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
כאן אנו מתארים רכישה אופטית ואפיון של פוטנציאל פעולה מתאי גזע פלוריפוטנטים המושרים שמקורם בקרדיומיוציטים באמצעות מערכת פוטומטריה מודולרית במהירות גבוהה.
טכניקות מיקרו-אלקטרוקטרודה תאיות קונבנציונליות לכימות אלקטרופיזיולוגיה של קרדיומיוצית הן מורכבות ביותר, עתירות עבודה, ובדרך כלל מבוצעות בתפוקה נמוכה. התרחבות מהירה ומתמשכת של טכנולוגיית תאי גזע פלוריפוטנטים המושרים (iPSC) מציגה סטנדרט חדש במחקר לב וכלי דם ושיטות חלופיות נחוצות כעת כדי להגדיל את התפוקה של נתונים אלקטרופיזיולוגיים ברמת תא אחד. VF2.1Cl הוא צבע רגיש למתח שנגזר לאחרונה המספק ערוץ יחיד מהיר, תגובה בעוצמה גבוהה לתנודות בפוטנציאל הממברנה. יש לו קינטיקה עדיפה על אלה של מחווני מתח קיימים אחרים ועושה נתונים פונקציונליים זמינים שוות ערך לזה של טכניקות מיקרו-ectrode מסורתיות. כאן, אנו מדגימים אפיון פוטנציאלי פעולה פשוטה ולא פולשנית ב cardiomyocytes אנושיים בקצב חיצוני באמצעות מערכת פוטומטריה מודולרית ובמחיר סביר מאוד.
מידול אלקטרופיזיולוגי של קרדיומיוציטים ובניית פלטפורמות יעילות להקרנת תרופות לב חיוניות לפיתוח אסטרטגיות טיפוליות למגוון הפרעות קצב. התרחבות מהירה של טכנולוגיית תאי גזע פלוריפוטנטים המושרה (iPSC) יצרה חדירה מבטיחה למידול מחלות אנושיות ולחקירה פרמקולוגית באמצעות קרדיומיוציטים שמקורם בחולה מבודד (iPSC-CM). טכניקות "תקן זהב" לאפיון אלקטרופיזיולוגי של תאים אלה באמצעות מהדק תיקון (מהדק זרם) יכולות לכמת את פוטנציאל הפעולה (AP) מורפולוגיה ומשך זמן, עם זאת, שיטה זו מורכבת ואיטית להפליא, ואינה מתאימה לרכישת נתוני תפוקה גבוהה1. iPSC-CMs מדווחים באופן קבוע יש פוטנציאל ממברנה דיאסטולית מוגברת וזרם דליפה מוגבר בהשוואה לקרדיומיוציטים ילידים למבוגרים2. הוא הציע כי גודל תא קטן יותר קיבוליות ממברנה מופחתת שנצפו iPSC-CMs עלול לייצר כמה שגיאה שיטתית בעת שימוש בטכניקת מלחציים הנוכחי, אולי להסביר את הסטיות האלה3. על מנת למקסם את התועלת של פלטפורמת iPSC-CM, שיטה נוספת היא בעלת ערך כדי להגדיל את התפוקה ולהבטיח דיוק נתונים בעת אפיון שינויי מתח transmembrane ברמת תא יחיד ב- iPSC-CMs.
צבעים רגישים למתח (VSD) כבר זמן רב שיטה מוצעת כדי לספק ניתוח מהיר יותר, לא פולשני שווה ערך של קינטיקה AP לב בהשוואה לאלה של טכניקות מסורתיות4. מחקר שנערך לאחרונה הדגים את ההתאמה של פוטומטריה רגישה למתח רציטרי כדי לכמת במדויק את AP הלב5. יתר על כן, היכולת להגדיל בקלות את הגישות פוטומטריה אופטית מעניק טכניקה זו בקנה מידה גדול מסכי cardiotoxicity קריטי בפיתוח תרופות טיפוליות (למשל, CiPA). פיתוח פרוטוקולי cardiotoxicity מתוקננים במחקר מרובה אתרים עיוור באמצעות מערך microelectrode וטכניקות אופטיות חישת מתח הדגים את הערך העיקרי של גישה זו6.
צבעים פוטנציומטריים רבים זמינים מסחרית, ופיתוח סינתטי מתמשך של בדיקות חדשות מראה פוטנציאל מרגש לייעול האפקטיביות שלהם על פני מגוון מבנים לב ועצביים. VSD האידיאלי יהיה קינטיקה מוגברת ורגישות, תוך הצגת עומס קיבולי מופחת, ליטוף פוטו וציטוטוקסיות. VF2.1Cl מסונתז לאחרונה (FluoVolt) מבטא רבים של תכונות מועילות אלה בעיקר בשל המבנה המולקולרי מבוסס חוט החדש שלה, משותף על ידי חברים אחרים של מתח Fluor החדש (VF) משפחה7. בניגוד VSDs אלקטרוכרומי נפוץ שבו בדיקות פשוטות מצומדות מולקולרית וחשמלית לקרום הפלזמה, צבע זה מורכב חוט סינתטי מוחדר באופן פסיבי, המשתרע על פני ממברנה אשר משייך תורם עשיר באלקטרונים עם פלואורופור פלואורסין שונה (FITC). פרטים מכניים מסופקים באיור 1. צבע זה מדגים רגישות מעולה לתנודות מתח הממברנה, ומציג שינוי של 27% בעוצמת הפליטה לכל 100 mV לעומת ~ 10% שנראה בבדיקות נפוצות אחרות במהירויותדומות 7. בנוסף, מערכות PeT מבוססות חוט אינן מתקשרות ישירות עם השדה החשמלי הסלולרי המייצר הפרעות חשמליות מינימליות ושינויים זניחים בעומס הקיבולי התאי.
איור 1: פרמטרים כימיים, ספקטרליים ומכניסטיים של צבע VF2.1Cl. (A)מבנה כימי של תכונות מולקולריות VF2.1Cl. לציין כוללים קבוצות אלקיל מרובות בתוך חוט מולקולרי פנילן וינילן אשר להקל על החדרה לתוך קרום הפלזמה. קבוצת חומצה גופרתית טעונה שלילית הצומדת בגשושית FITC מבטיחה ייצוב פלואורופור על פני השטח החוץ-תאיים ומסייעת ליד החדרה מאונכת ביחס לשדה החשמלי של דו-שכבתי השומנים. (B)סכמטי פשוט של VF2.1Cl מאונך מוטבע לתוך קרום הפלזמה של תא יעד. (C)ספקטרום ספיגה ופליטה של צבע VF2.1Cl. ספקטרה זהה לזו של בדיקות FITC ו- GFP סטנדרטיות. (ד)תיאור של מצב הפעולה המכניסטי של VF2.1Cl. בתנאי מנוחה (היפרפולרי), מתחים תאיים שליליים מניעים אלקטרונים חופשיים לכיוון הפלואורופור של הרוסטרל. שפע אלקטרונים מבטיח העברת אלקטרונים המושרה על ידי תמונה (PeT) מועדף כמסלול מחוץ למצב הנרגש לאחר העירור האופטי, למעשה מרווה פלואורסצנטיות. לעומת זאת, פוטנציאל ממברנה דה קוטבי משפיע על תנועת אלקטרונים כלפי מטה ומעדיף פלואורסצנטיות על עירור אופטי. התגובה הפלואורסצנטית המתקבלת קשורה באופן ליניארי למתח הממברנה וניתן להשתמש בה במדויק כדי לאסוף מידע זמני מפורט על קינטיקה אלקטרופיזיולוגית תאית. (E)נציג brightfield (עליון) ופלואורסצנטיות ב 470 ננומטר (נמוך יותר) תמונות של קרדיומיוציטים לפולין טעון עם VF2.1Cl. (F)Z מחסנית Z של קרדיומיוציטים טעון יחיד. החצים מציינים אזורים של לוקליזציה ברורה של VF2.1Cl לממברנה התאית. תמונות נרכשו עם מערכת קונפוקלית דיסק מסתובב המורכבת ראש קונפוקלי דיסק מסתובב X-lightv3 עם תבנית חור סיכה 50 מיקרומטר; תאורת LDI-7; מצלמת Prime95B ומטרת PlanApo Lambda 100x. סרגל קנה מידה: 20 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
הבדיקה FITC הצומדת ל- VF2.1Cl מבטיחה שניתן יהיה להשתמש בה ביעילות בתצורות מסנן רגילות ו- GFP, והיא דורשת רק מערכת רכישה של ערוץ אחד, שתיהן תכונות נפוצות של פלטפורמות הדמיה פלואורסצנטיות. ניתוח של מונוליות IPSC-CM אנושי צפוף עם צבע זה דווח לאחרונה8,9,10,11. הפרוטוקול שלנו שונה ממחקרים אלה עקב החקירה שלנו של iPSC-CMs יחידים, מבודדים, ללא הפרעה על ידי ההשפעות החשמליות והפרקרינית של monolayers סינכרוני צפוף, והשימוש שלנו במערכת פוטומטריה במחיר סביר וניתן להתאמה אישית בניגוד לסידורי הדמיה קונפוקליים או רחבים מורכבים.
כאן, אנו מתארים את הפרוטוקול שלנו לרכישה וניתוח מהירים של APs אופטי חזק מקרדיומיוציטים אנושיים מבודדים וקרדיומיוציטים מקומיים (ראה קובץ משלים). אנו משתמשים VF2.1Cl בשילוב עם המדינה הניתנת להתאמה אישית של פלטפורמת האמנות למדידות פוטומטריה של תא יחיד. פרוטוקולים ניסיוניים אלה אושרו על ידי ועדת האתיקה של המרכז הרפואי האוניברסיטאי גטינגן (מס '10/9/15).
1. הכנות סלולריות
הערה: IPSCs אנושיים המשמשים בפרוטוקול זה נגזרו מתורמים בריאים והובדלו בשכבות מונו-שכבתיות באמצעות אפנון מולקולות קטנות מוגדרות לחלוטין של טכניקות איתות וטיהור לקטט כפי שתואר בעבר12,13,14. iPSC-CMs נשמרו כל 2-3 ימים עם מדיום תרבות המתואר להלן.
2. התקנה ניסיונית
3. טעינה סלולרית עם VF2.1Cl
הערה: כל השלבים הכרוכים בצבע זה חייבים להתבצע בתנאי תאורה חלשה.
4. גירוי שדה חשמלי
הערה: הפעלה חיצונית של iPSC-CM היא אופציונלית אך שימושית לתקנון של דינמיקה תאית ופרמטרים ניסיוניים. זה מגביר את קלות הניתוח ומאפשר חקירה של השפעות תלויות תדירות.
5. רכישה פוטנציאלית של פעולה אופטית
הערה: פרוטוקול זה משתמש בתוכנה מסחרית לרכישה וניתוח.
6. ניתוח נתונים
איור 2: פרוטוקולי טעינה ורכישת תמונות. (A)תרשים זרימה של פרוטוקול טעינה מלא של VF2.1Cl עבור iPSC-CMs וקרדיומיוציטים מקומיים. (B)סכמטי פשוט יותר של מפצל קרן (BS) ותצורות מסנן המשמשות בפרוטוקול זה לעריפה וזיהוי של פליטת VF2.1Cl בתגובה לשינויים במתח transmembrane. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: פרופילי פוטנציאל פעולה אופטי (AP) של קרדיומיוציטים מקומיים מבודדים ותאי גזע פלוריפוטנטיים הנגרמים על ידי בני אדם נגזרים קרדיומיוציטים (iPSC-CM). (A)AP אופטי מייצג של קרדיומיוצייט מורין יחיד (במרכז) עם ממוצע...
כאן אנו מתארים פרוטוקול בסיסי כדי לרכוש בקלות פרופילי AP מפורטים מ- iPSC-CMs מבודדים המתאימים למידול אלקטרופיזיולוגי והקרנת תרופות לב. אנו מזהים APs רגילים וחזקים מה- iPSC-CMs שלנו עם זרעים דלילות, מה שמרמז הן על פונקציונליות המחוון והן על נאמנות מתודולוגית.
בשל הספקטרום הרחב של מתוד?...
Cairn מחקר בע"מ תמך בפרסום זה על ידי כיסוי עלויות הייצור של קובץ הווידאו.
המחברים מבקשים להכיר ב- Cairn Research Ltd. על תרומתם הכספית האדיבת אשר כיסתה את עלויות הייצור של פרסום זה. בנוסף, אנו מודים לגברת אינס מולר ולמרת סטפני קסטל על התמיכה הטכנית המצוינת שלהם.
המחקר של המחברים נתמך על ידי המרכז הגרמני לחקר הלב וכלי הדם (DZHK), דויטשה Forschungsgemeinschaft (DFG, קרן המחקר הגרמנית, VO 1568/3-1, IRTG1816 RP12, SFB1002 TPA13 ותחת אסטרטגיית המצוינות של גרמניה - EXC 2067/1- 390729940) ו-Else-Kröner-Fresenius Stiftung (EKFS 2016_A20).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Reagents | |||
0.25 Trypsin EDTA | Gibco | 25200056 | |
B27 Supplement | Gibco | 17504044 | |
CaCl2 | Carl Roth | HN04.2 | |
D(+)-Glucose anhydrous BioChemica | ITW Reagents | A1422 | |
Fetal Bovine Serum | Gibco | 10270-106 | |
FluoVolt Membrane Potential Kit | Invitrogen | F10488 | |
HEPES | Carl Roth | HN77.4 | |
KCl | Sigma-Aldrich | 6781.1 | |
Lamanin | Sigma-Aldrich | 114956-81-9 | |
Matrigel | BD | 354230 | |
NaCl | Sigma-Aldrich | 9265.2 | |
Nifedipine | Sigma-Aldrich | 21829-25-4 | |
Penicillin/Streptomycin | Invitrogen | 15140 | |
ROCK Inhibitor Y27632 | Stemolecule | 04-0012-10 | |
RPMI 1640 Medium | Gibco | 61870010 | |
Versene EDTA | Gibco | 15040033 | |
Equipment | |||
495LP Dichroic Beamsplitter | Chroma Technology | ||
Axopatch 200B Amplifier | Molecular Devices | ||
Circle Coverslips, Thickness 0 | Thermo Scientific | CB00100RA020MNT0 | |
Digidata 1550B | Molecular Devices | ||
Dual OptoLED Power Supply | Cairn Research | ||
ET470/40x Excitation Filter | Chroma Technology | ||
ET535/50m | Chroma Technology | ||
Etched Neubauer Hemacytometer | Hausser Scientific | ||
Filter Cubes | Cairn Research | ||
IX73 Inverted Microscope | Olympus | ||
MonoLED | Cairn Research | ||
Multiport Adaptors | Cairn Research | ||
Myopacer Cell Stimulator | IonOptix | ||
Optomask Shutter | Cairn Research | ||
Optoscan System Controller | Cairn Research | ||
PH-1 Temperature Controlled Platform | Warner Instruments | ||
Photomultiplier Detector | Cairn Research | ||
PMT Amplifier Insert | Cairn Research | ||
PMT Supply Insert | Cairn Research | ||
RC-26G Open Bath Chamber | Warner Instruments | ||
SA-OLY/2AL Stage Adaptor | Olympus | ||
T565lpxr Dichroic Beamsplitter | Chroma Technology | ||
T660lpxr Dichroic Beamsplitter | Chroma Technology | ||
TC-20 Dual Channel Temperature Controller | npi Electronic | ||
UPLFLN 40X Objective | Olympus | ||
USB 3.0 Colour Camera | Imaging Source | ||
Software | |||
Clampex 11.1 | Molecular Devices | ||
Clampfit 11.1 | Molecular Devices | ||
IC Capture 2.4 | Imaging Source | ||
Prism 8 | Graphpad |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved