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Method Article
Questo protocollo descrive come effettuare esperimenti automatici con patch-cluster guidati dall'immagine utilizzando un sistema recentemente sviluppato per apparecchiature elettrofisiologiche standard in vitro .
Il morsetto di patch a cellule intere è il metodo standard gold per misurare le proprietà elettriche delle singole cellule. Tuttavia, il morsetto di patch in vitro rimane una tecnica impegnativa e di bassa produttività grazie alla sua complessità e all'alta dipendenza dal funzionamento e dal controllo da parte degli utenti. Questo manoscritto dimostra un sistema di bloccaggio automatico delle patch per le esperienze di morsetti di patch a cellule in vitro in fette acute del cervello. Il nostro sistema implementa un algoritmo basato su visione informatica per rilevare le celle con etichette fluorescenti e per indirizzarle per la patch completamente automatica usando un micromanipulator e un controllo interno della pressione della pipetta. L'intero processo è altamente automatizzato, con requisiti minimi per l'intervento umano. Le informazioni sperimentali in tempo reale, tra cui la resistenza elettrica e la pressione interna della pipetta, sono documentate elettronicamente per analisi futura e per ottimizzazione a diversi tipi di cellule. Anche se il nostro sistema è descritto nel contesto di brai acutiN può essere applicato anche alla messa a punto automatizzata di patch di neuroni dissociati, culture di fetta organotipica e altri tipi di cellule non neuronali.
La tecnica della pinzetta patch è stata sviluppata da Neher e Sakmann negli anni '70 per studiare i canali ionici delle membrane eccitabili 1 . Da allora, il bloccaggio della patch è stato applicato allo studio di molti soggetti diversi a livello cellulare, sinaptico e a livello di circuito sia in vitro che in vivo, in diversi tipi di cellule, inclusi neuroni, cardiomiociti, oociti Xenopus e liposomi artificiali 2 . Questo processo prevede la corretta identificazione e il targeting di una cella di interesse, il controllo di micromanipulatore intricato per spostare la pipetta patch in prossimità della cella, l'applicazione di una pressione positiva e negativa alla pipetta nel momento giusto per stabilire una patch gigasea stretta, E un break-in per stabilire una configurazione di patch di cellule intere. Il bloccaggio delle patch viene tipicamente eseguito manualmente e richiede un'estesa formazione per il master. Anche per un ricercatore esperto con la patchMorsetto, il tasso di successo è relativamente basso. Più recentemente, sono stati fatti diversi tentativi per automatizzare gli esperimenti di patch-clamp. Due strategie principali si sono evolute per realizzare l'automazione: aumentando le apparecchiature standard di bloccaggio delle patch per fornire il controllo automatico del processo di patching e la progettazione di nuove attrezzature e tecniche dal punto di vista fondamentale. L'ex strategia è adattabile all'hardware esistente e può essere utilizzata in una varietà di applicazioni di morsetti di patch, tra cui in vivo patch morsetto patch 3 , 4 , 5 in vitro di patch patch di cervelli acuti, colture organotipiche di fetta e neuroni dissocati coltivati 6 . Permette l'interrogazione di circuiti locali complessi utilizzando simultaneamente più micromanipulatori 7 . Il metodo di patch pianistico è un esempio della nuova strategia di sviluppo, che può raggiungere l'elevato throughput simultaneo pMorsetto di cellule in sospensione per scopi di screening dei farmaci 8 . Tuttavia, il metodo di patch planare non è applicabile a tutti i tipi di cellule, in particolare i neuroni con lunghi processi o circuiti intatti che contengono collegamenti estesi. Questo limita la sua applicazione alla mappatura dei circuiti intricati del sistema nervoso, che è un vantaggio fondamentale della tecnologia tradizionale patch clamp.
Abbiamo sviluppato un sistema che automatizza il processo di morsetto di patch in vitro incrementando l'hardware standard di patch clamp. Il nostro sistema, Autopatcher IG, fornisce la calibrazione automatica delle pipette, l'identificazione del bersaglio a fluorescenza, il controllo automatico del movimento delle pipette, la patch automatica delle cellule intere e la registrazione dei dati. Il sistema può acquisire automaticamente più immagini di fette del cervello a diverse profondità; Analizzarli usando la visione del computer; E estrarre informazioni, incluse le coordinate delle cellule etichettate con fluorescenza. Queste informazioni possono essere alloraUtilizzati per mirare e bloccare automaticamente le celle di interesse. Il software è scritto in Python - un linguaggio di programmazione gratuito e aperto - utilizzando diverse librerie a sorgenti aperte. Ciò assicura la sua accessibilità ad altri ricercatori e migliora la riproducibilità e il rigore degli esperimenti di elettrofisiologia. Il sistema ha un design modulare, in modo tale che gli hardware aggiuntivi possano essere facilmente interfacciati con l'attuale sistema dimostrato qui.
1. Impostazione del sistema
2. Procedura di morsetto automatico di patch
3. Effettuare le registrazioni
NOTA: la modalità nell'amplificatore microelettrodo controllato dal computer verrà impostata automaticamente su "Current Clamp" ("IC") dal software di autopatcher una volta ottenuta una patch di successo. Le registrazioni a morsetto delle patch intere cellule possono essere eseguite usando il software di registrazione di scelta (questo sistema non include una funzione di registrazione). Se sono state identificate più celle di destinazione, dopo aver terminato una registrazione, tornare al passaggio 2.4 e provare un'altra cella.
Il nostro sistema è stato testato sulla sua capacità di patch delle cellule in fette cerebrali acute, cellule staminali pluripotenti indotte da mouse (iPSCs) differenziate in neuroni e cellule HEK 293 artificialmente esprimendo canali di interesse. La Figura 3 mostra un esperimento che usa i topi transgenici Thy1-ChR2-YFP (B6.Cg-Tg (Thy1-COP4 / EYFP) 18Gfng / J) targeting neuroni piramidali strati 5 fluorescenti etichettati nella corteccia visiva. La...
Qui descriviamo un metodo per le registrazioni automatiche delle morsetti di patch guidate dall'immagine in vitro . I passi chiave di questo processo sono riepilogati come segue. Innanzitutto, la visione informatica viene utilizzata per riconoscere automaticamente la punta della pipetta usando una serie di immagini acquisite tramite un microscopio. Queste informazioni vengono poi utilizzate per calcolare la funzione di trasformazione delle coordinate tra il microscopio ei sistemi di coordinate del manipolat...
Una domanda di brevetto non provvisorio "SISTEMI E METODI PER L'ELETTROFISIOLOGIA DI PATCH CLIP ELETROFISIOLOGICO AUTOMATICO GUIDATA IN VITRO", US N ° di serie: 15 / 353,719, è stata depositata il 16 novembre 2016, rif. N. PRF 67270-02.
Siamo grati per il sostegno finanziario della Fondazione Whitehall. Vorremmo ringraziare Samuel T. Kissinger per i preziosi commenti.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
CCD Camera | QImaging | Rolera Bolt | |
Electrophysiology rig | Scientifica | SliceScope Pro 2000 | Include microscope and manipulators. The manufacturer provided manipulator control software demonstrated in this manuscript is “Linlab2”. |
Amplifier | Molecular Devices | MultiClamp 700B | computer-controlled microelectrode amplifier |
Digitizer | Molecular Devices | Axon Digidata 1550 | |
LED light source | Cool LED | pE-100 | 488 nm wavelength |
Data acquisition board | Measurement Computing | USB1208-FS | Secondary DAQ. See manual at : http://www.mccdaq.com/pdfs/manuals/USB-1208FS.pdf |
Solenoid valves | The Lee Co. | LHDA0531115H | |
Air pump | Virtual industry | VMP1625MX-12-90-CH | |
Air pressure sensor | Freescale semiconductor | MPXV7025G | |
Slice hold-down | Warner instruments | 64-1415 (SHD-40/2) | Slice Anchor Kit, Flat for RC-40 Chamber, 2.0 mm, 19.7 mm |
Python | Anaconda | version 2.7 (32-bit for windows) | https://www.continuum.io/downloads |
Screw Terminals | Sparkfun | PRT - 08084 | Screw Terminals 3.5 mm Pitch (2-Pin) |
(2-Pin) | |||
N-Channel MOSFET 60 V 30 A | Sparkfun | COM - 10213 | |
DIP Sockets Solder Tail - 8-Pin | Sparkfun | PRT-07937 | |
LED - Basic Red 5 mm | Sparkfun | COM-09590 | |
LED - Basic Green 5mm | Sparkfun | COM-09592 | |
DC Barrel Power Jack/Connector (SMD) | Sparkfun | PRT-12748 | |
Wall Adapter Power Supply - 12 V DC 600 mA | Sparkfun | TOL-09442 | |
Hook-Up Wire - Assortment (Solid Core, 22 AWG) | Sparkfun | PRT-11367 | |
Locking Male x Female x Female Stopcock | ARK-PLAS | RCX10-GP0 | |
Fisherbrand Tygon S3 E-3603 Flexible Tubings | Fisher scientific | 14-171-129 | Outer Diameter: 1/8 in. Inner Diameter: 1/16 in. |
BNC male to BNC male coaxial cable | Belkin Components | F3K101-06-E | |
560 Ohm Resistor (5% tolerance) | Radioshack | 2711116 | |
Picospritzer | General Valve | Picospritzer II |
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