Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Transporters in cell membranes allow differential segregation of ions across cell membranes or cell layers and play crucial roles during tissue physiology, repair and pathology. We describe the ion-selective self-referencing microelectrode that allows the measurement of specific ion fluxes at single cells and tissues in vivo.
Клетки животных, растений и отдельных клеток заключены в барьере называемой клеточной мембраны, которая отделяет цитоплазму извне. Слои клеток, таких как эпителий и формируют барьер, который отделяет внутреннюю снаружи или различных отсеках многоклеточных организмов. Ключевой особенностью этих барьеров дифференциальное распределение ионов через клеточные мембраны или слоев клеток. Два свойства позволяют этого распределения: 1) мембраны и эпителия отображения избирательную проницаемость для ионов конкретных; 2) ионы транспортируются через насосы через клеточные мембраны и клеточных слоев. Эти свойства играют решающую роль в поддержании тканей физиологии и выступать в качестве реплики сигнализации после повреждения, во время ремонта или при патологическом состоянии. Ионоселективный автореферентное микроэлектрода позволяет измерять конкретных потоков ионов, таких как кальций, калий или натрий в отдельных уровнях клеток и тканей. Микроэлектрод содержит ионофор коктейль, который являетсяселективно проницаемой для конкретного иона. Внутреннее решение наполнения содержит набор концентрацию иона интереса. Электрический потенциал микроэлектрода определяется внешним концентрации иона. Как концентрация ионов изменяется, потенциал микроэлектрода изменяется в зависимости от логарифма активности ионов. При перемещении вперед и назад, рядом с источником или стоком иона (т.е. в градиента концентрации из-за потока ионов) микроэлектрод потенциал колеблется с амплитудой, пропорциональной потока ионов / градиента. Усилитель усиливает сигнал микроэлектрода, а выход записывается на компьютере. Поток ионов может быть рассчитана по закону диффузии Фика с использованием электродного потенциала колебание, экскурсии из микроэлектрода, а также других параметров, таких как конкретное подвижности ионов. В этой статье мы подробно описать методологию для измерения потоков ионов внеклеточного помощью ионно-селективный автореферентных микроэлектродного апD Приведем некоторые репрезентативные результаты.
Все животные клетки окружены липидный бислой мембраны, которая отделяет цитоплазму от внешней среды. Клетка сохраняет электрический мембранный потенциал, негативно внутри, активным транспортом ионов 1. Мембранный потенциал источник скрытой энергии, которое клетка может использовать для работы различные молекулярные устройства в мембране 2. Нейроны и другие возбудимые клетки имеют большие мембранных потенциалов. Быстрое открытие натриевых каналов падает мембранный потенциал (деполяризации) и производит потенциал действия, который транспортируется по всей длине нейрона 2. Помимо этих быстрых электрических изменений, многие ткани и органы генерировать и поддерживать значительные долгосрочные электрических потенциалов. Например, кожа и эпителии роговицы генерировать и поддерживать транс-эпителиальные потенциалы и внеклеточные электрические токи, направленным накачки ионов (в основном натрия и хлорида) 3.
палатка "> В то время как измерения эндогенного внеклеточного электрического тока с помощью вибрирующего зонда 4-6 и измерения мембранных или транс-эпителиальных потенциалов с помощью системы микроэлектродного 7-10 позволяют измерение электрических параметров клеточных мембран и эпителиальных клеточных слоев, они дают нет указание вида ионов, участвующих.Микроэлектроды с селективным ионофора можно измерить конкретный концентрации ионов в растворе. Ионные градиенты или поток может быть измерена с двумя или более электродами в различных положениях. Тем не менее, внутренняя напряжение дрейфа каждого зонда будет отличаться, в результате чего точность измерений или даже обнаружение градиентом, который не присутствовал. Один электрод используется в режиме "автореферентных", когда он движется на низкой частоте между двумя точками решает эту проблему. Теперь поток ионов можно увидеть на фоне относительно медленного и стабильного сигнала дрейфа (рис 3B).
Измерительная система ионно-чувствительный использует ион-селективные автореферентных микроэлектродов для обнаружения малых внеклеточные потоки ионов, близких к ткани или отдельные клетки. Система состоит из усилителя, который обрабатывает сигнал от микроэлектрода и микро шаговый двигатель и водителю контролировать движение микроэлектрода. Ионоселективный микроэлектрода и электрод сравнения, что замкнуть цепь подключены к усилителю через headstage предварительного усилителя (фиг.1А). Компьютерное программное обеспечение определяет параметры движения микроэлектродов (частота, расстояние), а также записывает выход усилителя. Шаговый двигатель управляет движением микроэлектрода через трехмерного микроподвижки. Низкая частота вибрационный ион-селективный микроэлектрод была впервые разработана в 1990 году для измерения потока конкретной кальция 11. А также кальций, коммерчески доступные ионофорные коктейли теперь доступны, чтобы сделать MICRoelectrodes чувствительны к натрия, хлорид, калия, магния, водорода, нитрат, аммоний, фтористый литий, или ртуть.
В принципе, автореферентное ионно-селективной микроэлектрода преобразует активность конкретного иона растворенного в растворе в электрический потенциал, который может быть измерен с помощью вольтметра. Ионофор коктейль не смешивается жидкость (органические, липофильный) фаза с ионообменных свойств. Ионофор избирательно связывается комплексов () конкретных ионов обратимо и передает их между водного раствора, содержащегося в микроэлектродов (электролит) и водного раствора, в котором микроэлектрода погружен (фиг 1D). Это перенос ионов приводит к электрохимической равновесия и изменение электрического потенциала между микроэлектрода и электродом измеряется с помощью вольтметра. Напряжение пропорционально логарифму активности ионов конкретного согласно Нернста еquation позволяет рассчитывать концентрацию ионов (рис 2А и В).
В настоящее время, несколько систем позволяют измерять потока ионов с помощью подобную концепцию или принцип. Например, сканирование Ион-селективный электрод Техника (Siet) 12,13 или (MIFE) метод Микроэлектродные потока ионов Оценка развивается Ньюманом и Shabala 14-16 коммерчески доступны и широко используется в научном сообществе с целью определения конкретного ион флюсы происходящих на клеточной мембране и ткани в различных животных, растений и моделей отдельных живой клетки. Ионоселективные микроэлектродов были использованы для измерения водорода, калия и кальция поток через корни растений 17, поток хлорида в церебральных артерий крысы 18 и в пыльцевых трубок 19, поток водорода в коньках клеток сетчатки 20, поток кальция в кости мыши 21, различные ионов потоки в гиф гриба 22 и в Rна роговице 23 и, наконец, потока кальция во время одной раны клеток исцеления 12,24. Смотрите также следующую обзор для детальной информации о ионоселективных автореферентными микроэлектродов 25.
Следующая статья подробно описывает, как подготовить и выполнить измерения эндогенных внеклеточных потоков ионов с использованием ионно-селективный автореферентных технику микроэлектродного на одном уровне клетки.
1. Ион-селективный автореферентных Микроэлектродные Подготовка
2. Ион-селективный автореферентных Микроэлектродные калибровки
3. Проверка ионоселективной Микроэлектродные техники
4. Подготовка измерительной камере
Примечание: Перед экспериментами, рассмотрим образец для измерения и как образец должен быть установлен и иммобилизованных для измерения микроэлектродов.
5. Поток Измерение Ион
6. Статистический анализ и представления данных
Ранее мы уже показали, что приток кальция появляется после одной клетки ранив 24. Поэтому мы попросили, происходят ли другие потоки ионов на одной ранения клеток. Мы использовали X. Laevis яйцеклетки, устоявшуюся модель одной клетки заживления ран 30-34 и электрофизиологическ...
Наиболее важные шаги для успешного измерения внеклеточного потоков ионов в естественных условиях являются: снижение шума, правильно выдумка ион-селективные микроэлектродов и электродом сравнения, и позиционирование образца и обоих электродов.
Для того чтобы мин?...
The authors declare that they have no competing financial interests.
This work was supported by National Science Foundation grant MCB-0951199, and in part by the NIH grant EY01910, California Institute of Regenerative Medicine grants RB1-01417 and by the Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) grant SFRH/BD/87256/2012.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
IonAmp | BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA | none | amplifier created by the BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA; Similar system can be purchased from “XBL function matters” (http://www.xuyue.org/) or from “YoungerUSA” (http://www.youngerusa.com/) or from Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
IonAmp32 | BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA | none | software created by the BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA; Similar system can be purchased from “XBL function matters” (http://www.xuyue.org/) or from “YoungerUSA” (http://www.youngerusa.com/) or from Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
Headstage pre-amplifier | BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA | INA116 | BSR Voltage Follower INA116, designed by the BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA; Similar system can be purchased from “XBL function matters” (http://www.xuyue.org/) or from “YoungerUSA” (http://www.youngerusa.com/) or from Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
MicroStep Driver | BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA | none | three MicroStep drivers are required for X, Y and Z-positioning; created by the BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA; Similar system can be purchased from “XBL function matters” (http://www.xuyue.org/) or from “YoungerUSA” (http://www.youngerusa.com/) or from Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
Manual micropositioner | World Precision Instruments | Model KITE-R | Similar system can be purchased from Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
Magnetic stand | World Precision Instruments | Model M10 | Similar system can be purchased from Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
Vibration isolation table | Newport Inc. | Model VW-3036-OPT-023040 | Similar system can be purchased from Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
Part of three dimentional micropositioner: angle bracket, 90°, slotted faces | Newport Inc. | Model 360-90 | Assemblage of the three dimantionnal micropositionner requires also Three electric rotary motors for X, Y, Z control, MPH-1 mounting arm with MCA-2 adjustable-angle post and Various Newport connectors and screws to bolt onto vibration table |
Part of three dimentional micropositioner: Peg-Joining Dovetail Stage 0.5 inch X Travel | Newport Inc. | 460PD-X | none |
Part of three dimentional micropositioner: Quick-Mount Linear Stage, 0.5 inch XY Travel | Newport Inc. | 460A-XY | none |
Kwik-Fil thin walled borosilicate glass capillaries without filament | World Precision Instruments | TW150-4 | none |
Electrode puller | Narishige | PC-10 | none |
Metal rack | Made in-house | none | Metal electrode holder made in-house by drilling 2 mm wide holes half centimeter spaced in a 10cm by 15cm rectangular base of steel |
Oven | QL | Model 10 Lab Oven | none |
Silanization solution I | Sigma-Aldrich | 85126 | Hazardous, handle as recommended by provider |
Glass Petri dish; Pyrex | Fisher Scientific | 316060 | none |
Electrode/micropipette storage jar | World Precision Instruments | E215 | none |
Glass dessicator | Fisher Scientific | 08-595E | Contains Drierite dessicant (W.A. Hammond Drierite Co. Ltd, Xenia, OH, USA). Place petroleum jelly on the seal to make it airtight. |
Plastic Pasteur pipette | Fisher Scientific | 11597722 | none |
Bunsen burner | Fisher Scientific | S97329 | none |
Microscope slide | Sigma-Aldrich | S8902 | none |
Straight microelectrode holder | Warner Instruments | QSW-A15P | with a gold 1 mm male connector and Ag/AgCl wire |
Straight microelectrode holder | World Precision Instruments | MEH3S | with a AgCl(Ag+)pellet inside and a gold 2 mm male connector |
6 cm Petri dish | VWR | 60872-306 | none |
Nitex mesh | Dynamic Aqua-Supply Ltd. | NTX750 | none |
Glue; Loctite epoxy | VWR | 500043-451 | Mix glue and hardener in equal parts in a plastic weighing boat and mix thoroughly. Sets quickly but leave at RT for 24 h for full curing |
Deionized water | Sigma-Aldrich | 99053 | none |
Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | S7653 | none |
Potassium Chloride | Sigma-Aldrich | P9333 | none |
Calcium Chloride | Sigma-Aldrich | C1016 | none |
Magnesium Chloride | Sigma-Aldrich | M8266 | none |
Hepes | Sigma-Aldrich | H3375 | none |
Sodium Hydroxyde | Sigma-Aldrich | S8045 | none |
Potassium Acetate | Sigma-Aldrich | P1190 | none |
Agarose | Sigma-Aldrich | A9539 | none |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены