✖


Jump to content

Чувствительный к напряжению краситель

Чувствительные к напряжению красители , также известные как потенциометрические красители , представляют собой красители , которые меняют свои спектральные свойства в ответ на изменения напряжения . [1] Они способны обеспечить линейные измерения активности отдельных нейронов , больших популяций нейронов или активности миоцитов . Многие физиологические процессы сопровождаются изменениями потенциала клеточной мембраны , которые можно обнаружить с помощью чувствительных к напряжению красителей. Измерения могут указать место возникновения потенциала действия , а также могут быть получены измерения скорости и направления потенциала действия. [2]

Потенциометрические красители используются для мониторинга электрической активности внутри клеточных органелл, куда невозможно вставить электрод , таких как митохондрии и дендритные отростки . Эта технология особенно эффективна для изучения закономерностей активности сложных многоклеточных препаратов. Это также делает возможным измерение пространственных и временных изменений мембранного потенциала вдоль поверхности одиночных клеток.

Виды красителей [ править ]

Пионеры потенциалочувствительных красителей: А. Гринвальд, Л. Б. Коэн, К. Камино, Б. М. Зальцберг, В. Н. Росс; Токио, 2000 г.

Зонды с быстрым откликом: это амфифильные красители, окрашивающие мембраны, которые обычно имеют пару углеводородных цепей, действующих как мембранные якоря, и гидрофильную группу, которая выравнивает хромофор перпендикулярно границе раздела мембрана/вода. Считается, что хромофор претерпевает большой сдвиг электронного заряда в результате возбуждения из основного состояния в возбужденное , и это лежит в основе предполагаемого электрохромного механизма чувствительности этих красителей к мембранному потенциалу. Эта молекула (краситель) внедряется в липофильную часть биологических мембран . Такая ориентация гарантирует, что перераспределение заряда, вызванное возбуждением, будет происходить параллельно электрическому полю внутри мембраны. Таким образом, изменение напряжения на мембране вызовет спектральный сдвиг , возникающий в результате прямого взаимодействия между полем и дипольными моментами основного и возбужденного состояний .

Новые красители напряжения могут воспринимать напряжение с высокой скоростью и чувствительностью, используя фотоиндуцированный перенос электронов (PeT) через сопряженную молекулярную проволоку. [3] [4]

Зонды с медленным откликом: они демонстрируют потенциал-зависимые изменения в их трансмембранном распределении, которые сопровождаются изменением флуоресценции. Типичные зонды с медленным откликом включают катионные карбоцианины и родамины , а также ионные оксонолы .

Примеры [ править ]

Обычно используемые чувствительные к напряжению красители представляют собой замещенные аминонафтилэтенилпиридиновые красители (ANEP), такие как ди-4-ANEPPS, ди-8-ANEPPS и RH237. В зависимости от химических модификаций, изменяющих их физические свойства, они используются для различных экспериментальных процедур. [5] Впервые они были описаны в 1985 году исследовательской группой Лесли Лоу. [6] ANNINE-6plus — это чувствительный к напряжению краситель с быстрым откликом ( время отклика нс ) и высокой чувствительностью. Guixue Bu et al. применил его для измерения потенциалов действия одного Т-трубочки кардиомиоцитов. [7] Совсем недавно была представлена ​​серия фторированных красителей ANEP, обладающих повышенной чувствительностью и фотостабильностью; они также доступны с широким выбором длин волн возбуждения и излучения. [8] Недавнее компьютерное исследование подтвердило, что на красители ANEP влияет только электростатическая среда, а не специфические молекулярные взаимодействия. [9] Другие структурные каркасы, такие как ксантены, [10] также успешно используются.

Материалы [ править ]

Основным материалом для визуализации активности мозга с помощью чувствительных к напряжению красителей являются сами красители. Эти чувствительные к напряжению красители являются липофильными и предпочтительно локализованы в мембранах с гидрофобными хвостами. Они используются в приложениях, связанных с флуоресценцией или поглощением; они быстродействуют и способны обеспечить линейные измерения изменений мембранного потенциала. [11] Красители, чувствительные к напряжению, поставляются многими компаниями, предлагающими флуоресцентные зонды для биологических применений. ООО «Потенциометрические зонды» специализируется только на чувствительных к напряжению красителях; у них есть эксклюзивная лицензия на распространение большого количества фторированных VSD, продаваемых под брендом ElectroFluor.

В сочетании с красителями можно использовать различное специализированное оборудование, а выбор оборудования будет зависеть от особенностей препарата. По сути, оборудование будет включать специализированные микроскопы и устройства формирования изображений, а также может включать технические лампы или лазеры. [11]

Сильные и слабые стороны [ править ]

Сильные стороны визуализации активности мозга с помощью чувствительных к напряжению красителей включают в себя следующие возможности:

  • Измерение популяционных сигналов из многих областей можно проводить одновременно и регистрировать сотни нейронов. Такие многосайтовые записи могут предоставить точную информацию о возникновении и распространении потенциала действия (включая направление и скорость), а также обо всей разветвленной структуре нейрона. [11]
  • Могут быть проведены измерения спайковой активности в ганглии, вызывающем поведение, и они могут предоставить информацию о том, как происходит это поведение. [11]
  • В некоторых препаратах фармакологическое действие красителей можно полностью обратить вспять, если удалить красящую пипетку и дать нейрону 1–2 часа на восстановление. [11]
  • Красители можно использовать для анализа интеграции сигналов в терминальных дендритных ветвях. единственную альтернативу генетически кодируемым белкам, чувствительным к напряжению (таким как белки, полученные из Ci-VSP ). Чувствительные к напряжению красители предлагают для этого [11]
  • Более растворимые красители, такие как ElectroFluor-530 или ди-2-ANEPEQ, можно перфузировать внутрь отдельной клетки через патч-пипетку. Этот метод позволил изучить электрические сигналы в отдельных дендритах. [12] [13] и дендритные шипы [14] [15] [16] [17] внутри срезов мозга.

К недостаткам визуализации активности мозга с помощью чувствительных к напряжению красителей относятся следующие проблемы:

  • Чувствительные к напряжению красители могут реагировать очень по-разному в зависимости от препарата; обычно для получения оптимального сигнала необходимо протестировать десятки красителей. [11] Параметры визуализации, такие как длина волны возбуждения, длина волны излучения, время экспозиции, также должны быть оптимизированы.
  • Потенциал-чувствительные красители часто не могут проникнуть через соединительную ткань или проникнуть через внутриклеточное пространство к нужному для исследования участку мембраны. [11] Окрашивание является серьезной проблемой при применении этих красителей. Водорастворимые красители, такие как ANNINE-6plus , ElectroFluor-530 или ди-2-ANEPEQ , не страдают от этой проблемы.
  • С другой стороны, если красители слишком водорастворимы, окрашивание может не сохраниться. Эту проблему можно решить, используя красители, содержащие более длинные алкильные цепи, для повышения липофильности.
  • Шум является проблемой для всех препаратов с красителями, чувствительными к напряжению, а в некоторых препаратах сигнал может быть значительно затемнен. [11] Отношение сигнал/шум можно улучшить с помощью алгоритмов пространственной или временной фильтрации. Существует множество таких алгоритмов; один алгоритм обработки сигналов можно найти в недавней работе с красителем ANNINE-6plus. [7]
  • Лечение может привести к необратимому воздействию на клетки. Возможны длительные фармакологические эффекты, а фотодинамика красителей может быть разрушительной. [11] Было показано, что недавно разработанные фторированные красители, чувствительные к напряжению, смягчают эти эффекты. [8] [18]

Использует [ править ]

Чувствительные к напряжению красители использовались для измерения нейронной активности в нескольких областях нервной системы у различных организмов, включая гигантский аксон кальмара . [19] усовые стволы соматосенсорной коры головного мозга крысы, [20] [21] обонятельная луковица саламандры, [22] [23] [24] зрительная кора кошки, [25] зрительный тектум лягушки, [26] и зрительная кора макаки-резус . [27] [28]

Было опубликовано множество приложений в области электрофизиологии сердца, в том числе картирование ex vivo электрической активности всего сердца различных видов животных. [29] [30] субклеточная визуализация одиночных кардиомиоцитов, [31] и даже картографировать как синусовые ритмы, так и аритмии на открытом сердце in vivo свиньи, [18] где артефакты движения можно устранить с помощью визуализации флуоресценции чувствительного к напряжению красителя с двойным соотношением длин волн.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хадрия А (ноябрь 2012 г.). «Инструменты для измерения мембранного потенциала нейронов» . Биомедицинский журнал . 45 (5): 749–762. дои : 10.1016/j.bj.2022.05.007 . ПМЦ   9661650 . PMID   35667642 . S2CID   249354518 .
  2. ^ Коэн Л.Б., Зальцберг Б.М. (1978). «Оптическое измерение мембранного потенциала». Обзоры физиологии, биохимии и фармакологии . 83 : 35–88. дои : 10.1007/3-540-08907-1_2 . ISBN  978-3-540-08907-0 . ПМИД   360357 .
  3. ^ Вудфорд С.Р., Фрэди Э.П., Смит Р.С., Мори Б., Канци Г., Палида С.Ф. и др. (февраль 2015 г.). «Улучшенные молекулы ПЭТ для оптического измерения напряжения в нейронах» . Журнал Американского химического общества . 137 (5): 1817–1824. дои : 10.1021/ja510602z . ПМК   4513930 . ПМИД   25584688 .
  4. ^ Сирбу Д., Батчер Дж.Б., Уодделл П.Г., Андрас П., Беннистон AC (октябрь 2017 г.). «Локально возбужденные красители с переносом заряда в состоянии, связанные с состоянием, как оптически чувствительные зонды, запускающие нейроны» (PDF) . Химия: Европейский журнал . 23 (58): 14639–14649. дои : 10.1002/chem.201703366 . ПМИД   28833695 .
  5. ^ «Потенциально-чувствительные красители ANEP» (PDF) . Инвитроген . 24 марта 2006 г.
  6. ^ Флюлер Э., Бёрнем В.Г., Лоу Л.М. (октябрь 1985 г.). «Спектры, мембранное связывание и потенциометрические отклики новых зондов сдвига заряда». Биохимия . 24 (21): 5749–5755. дои : 10.1021/bi00342a010 . ПМИД   4084490 .
  7. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Бу Дж., Адамс Х., Бербари Э.Дж., Рубарт М. (март 2009 г.). «Равномерная реполяризация потенциала действия внутри сарколеммы желудочковых кардиомиоцитов in situ» . Биофизический журнал . 96 (6): 2532–2546. Бибкод : 2009BpJ....96.2532B . дои : 10.1016/j.bpj.2008.12.3896 . ПМЦ   2907679 . ПМИД   19289075 .
  8. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Ян П., Акер С.Д., Чжоу В.Л., Ли П., Болленсдорф С., Негреан А. и др. (декабрь 2012 г.). «Палитра фторированных потенциалочувствительных гемицианиновых красителей» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (50): 20443–20448. Бибкод : 2012PNAS..10920443Y . дои : 10.1073/pnas.1214850109 . ПМЦ   3528613 . ПМИД   23169660 .
  9. ^ Робинсон Д., Бесли Н.А., О'Ши П., Херст Дж.Д. (апрель 2011 г.). «Спектры эмиссии ди-8-ANEPPS в фосфолипидно-холестериновых мембранах: теоретическое исследование». Журнал физической химии Б. 115 (14): 4160–4167. дои : 10.1021/jp1111372 . ПМИД   21425824 .
  10. ^ Фиала, Томас; Ван, Цзихан; Данн, Мэтью; Шебей, Питер; Чхве, Се Джун; Нвадибия, Экеома К.; Фиалова, Ева; Мартинес, Диана М.; Читам, Клэр Э.; Фогл, Кери Дж.; Палладино, Майкл Дж.; Фрейберг, Закари; Зульцер, Дэвид; Самес, Далибор (20 мая 2020 г.). «Химическое воздействие чувствительных к напряжению красителей на определенные клетки и молекулы мозга» . Журнал Американского химического общества . 142 (20): 9285–9301. дои : 10.1021/jacs.0c00861 . ISSN   0002-7863 . ПМК   7750015 . ПМИД   32395989 .
  11. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Бейкер Б.Дж., Космидис Е.К., Вучинич Д., Фальк С.Х., Коэн Л.Б., Джурисич М., Зечевич Д. (март 2005 г.). «Визуализация активности мозга с помощью красителей, чувствительных к напряжению и кальцию». Клеточная и молекулярная нейробиология . 25 (2): 245–282. дои : 10.1007/s10571-005-3059-6 . ПМИД   16050036 . S2CID   1751986 .
  12. ^ Зецевич Д. (май 1996 г.). «Множественные зоны инициации спайков в отдельных нейронах, выявленные с помощью чувствительных к напряжению красителей». Природа . 381 (6580): 322–325. Бибкод : 1996Natur.381..322Z . дои : 10.1038/381322a0 . ПМИД   8692270 . S2CID   4322430 .
  13. ^ Чжоу В.Л., Ян П., Вускелл Дж.П., Лоу Л.М., Антик С.Д. (февраль 2008 г.). «Динамика обратного распространения потенциала действия в базальных дендритах пирамидных нейронов префронтальной коры» . Европейский журнал неврологии . 27 (4): 923–936. дои : 10.1111/j.1460-9568.2008.06075.x . ПМК   2715167 . ПМИД   18279369 .
  14. ^ Палмер Л.М., Стюарт Дж.Дж. (май 2009 г.). «Изменения мембранного потенциала в дендритных шипиках во время потенциалов действия и синаптического входа» . Журнал неврологии . 29 (21): 6897–6903. doi : 10.1523/JNEUROSCI.5847-08.2009 . ПМК   6665597 . ПМИД   19474316 .
  15. ^ Акер CD, Ян П., Лоу Л.М. (июль 2011 г.). «Одновоксельная запись переходных процессов напряжения в дендритных шипиках» . Биофизический журнал . 101 (2): Л11–Л13. Бибкод : 2011BpJ...101L..11A . дои : 10.1016/j.bpj.2011.06.021 . ПМК   3136788 . ПМИД   21767473 .
  16. ^ Акер CD, Ойос Э, Лоу Л.М. (март 2016 г.). «ВПСП, измеренные в проксимальных дендритных отростках кортикальных пирамидальных нейронов» . эНейро . 3 (2): ЭНЕВРО.0050–15.2016. дои : 10.1523/ENEURO.0050-15.2016 . ПМЦ   4874537 . ПМИД   27257618 .
  17. ^ Попович М.А., Карневале Н., Розса Б., Зечевич Д. (октябрь 2015 г.). «Электрическое поведение дендритных шипов, выявленное с помощью визуализации напряжения» . Природные коммуникации . 6 (1): 8436. Бибкод : 2015NatCo...6.8436P . дои : 10.1038/ncomms9436 . ПМЦ   4594633 . ПМИД   26436431 .
  18. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Ли П., Кинтанилья Х.Г., Альфонсо-Альмазан Х.М., Галан-Арриола С., Ян П., Санчес-Гонсалес Дж. и др. (сентябрь 2019 г.). «Ратионометрическое оптическое картирование in vivo позволяет проводить электрофизиологию сердца с высоким разрешением на моделях свиней» . Сердечно-сосудистые исследования . 115 (11): 1659–1671. дои : 10.1093/cvr/cvz039 . ПМК   6704389 . ПМИД   30753358 .
  19. ^ Гринвальд А., Хильдесхайм Р. (ноябрь 2004 г.). «VSDI: новая эра функциональной визуализации динамики коры». Обзоры природы. Нейронаука . 5 (11): 874–885. дои : 10.1038/nrn1536 . ПМИД   15496865 . S2CID   205500046 .
  20. ^ Петерсен CC, Гринвальд А, Сакманн Б (февраль 2003 г.). «Пространственно-временная динамика сенсорных реакций в слое 2/3 бочкообразной коры крысы, измеренная in vivo с помощью потенциал-чувствительной визуализации красителей в сочетании с записью напряжения целых клеток и реконструкцией нейронов» . Журнал неврологии . 23 (4): 1298–1309. doi : 10.1523/JNEUROSCI.23-04-01298.2003 . ПМК   6742278 . ПМИД   12598618 .
  21. ^ Петерсен CC, Сакманн Б (ноябрь 2001 г.). «Функционально независимые столбцы соматосенсорной бочкообразной коры головного мозга крысы выявлены с помощью потенциал-чувствительной визуализации с красителем» . Журнал неврологии . 21 (21): 8435–8446. doi : 10.1523/JNEUROSCI.21-21-08435.2001 . ПМК   6762780 . ПМИД   11606632 .
  22. ^ Синелли А.Р., Гамильтон К.А., Кауэр Дж.С. (май 1995 г.). «Активность нейронов обонятельной луковицы саламандры, наблюдаемая с помощью видеочастоты и визуализации с использованием чувствительных к напряжению красителей. III. Пространственные и временные свойства реакций, вызванных стимуляцией запахами». Журнал нейрофизиологии . 73 (5): 2053–2071. дои : 10.1152/янв.1995.73.5.2053 . ПМИД   7542699 .
  23. ^ Синелли А.Р., Кауэр Дж.С. (май 1995 г.). «Активность нейронов обонятельной луковицы саламандры, наблюдаемая с помощью видеочастоты и визуализации с использованием чувствительных к напряжению красителей. II. Пространственные и временные свойства ответов, вызванных электрической стимуляцией». Журнал нейрофизиологии . 73 (5): 2033–2052. дои : 10.1152/янв.1995.73.5.2033 . ПМИД   7623098 .
  24. ^ Синелли А.Р., Нефф С.Р., Кауэр Дж.С. (май 1995 г.). «Активность нейронов обонятельной луковицы саламандры, наблюдаемая с помощью видеочастоты и визуализации с использованием чувствительных к напряжению красителей. I. Характеристика записывающей системы». Журнал нейрофизиологии . 73 (5): 2017–2032. дои : 10.1152/янв.1995.73.5.2017 . ПМИД   7542698 .
  25. ^ Ариэли А., Стеркин А., Гринвальд А., Артсен А. (сентябрь 1996 г.). «Динамика текущей активности: объяснение большой вариабельности вызванных корковых ответов». Наука . 273 (5283): 1868–1871. Бибкод : 1996Sci...273.1868A . дои : 10.1126/science.273.5283.1868 . ПМИД   8791593 . S2CID   23741402 .
  26. ^ Гринвальд А., Англистер Л., Фриман Дж.А., Хильдесхайм Р., Манкер А. (1984). «Оптическая визуализация естественно вызванной электрической активности в неповрежденном мозге лягушки в реальном времени». Природа . 308 (5962): 848–850. Бибкод : 1984Natur.308..848G . дои : 10.1038/308848a0 . ПМИД   6717577 . S2CID   4369241 .
  27. ^ Словин Х., Ариэли А., Хильдесхайм Р., Гринвальд А. (декабрь 2002 г.). «Долговременная визуализация с использованием чувствительных к напряжению красителей выявляет динамику коры головного мозга у обезьян». Журнал нейрофизиологии . 88 (6): 3421–3438. дои : 10.1152/jn.00194.2002 . ПМИД   12466458 .
  28. ^ Зайдеманн Э., Ариэли А., Гринвальд А., Словин Х. (февраль 2002 г.). «Динамика деполяризации и гиперполяризации в лобной коре и цели саккады». Наука . 295 (5556): 862–865. Бибкод : 2002Sci...295..862S . CiteSeerX   10.1.1.386.4910 . дои : 10.1126/science.1066641 . ПМИД   11823644 . S2CID   555180 .
  29. ^ Матюкас А., Митреа Б.Г., Цинь М., Перцов А.М., Шведко А.Г., Уоррен М.Д. и др. (ноябрь 2007 г.). «Чувствительные к напряжению флуоресцентные красители ближнего инфракрасного диапазона, оптимизированные для оптического картирования миокарда, перфузируемого кровью» . Сердечный ритм . 4 (11): 1441–1451. дои : 10.1016/j.hrthm.2007.07.012 . ПМК   2121222 . ПМИД   17954405 .
  30. ^ Ли П., Ян П., Юарт П., Коль П., Лоу Л.М., Болленсдорфф С. (октябрь 2012 г.). «Одновременное измерение и модуляция множества физиологических параметров в изолированном сердце с использованием оптических методов» . Архив Пфлюгерса . 464 (4): 403–414. дои : 10.1007/s00424-012-1135-6 . ПМЦ   3495582 . ПМИД   22886365 .
  31. ^ Крочини С., Коппини Р., Феррантини С., Ян П., Лоу Л.М., Теси С. и др. (октябрь 2014 г.). «Нарушения электрической активности Т-канальцев лежат в основе местных изменений высвобождения кальция при сердечной недостаточности» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (42): 15196–15201. Бибкод : 2014PNAS..11115196C . дои : 10.1073/pnas.1411557111 . ПМК   4210349 . ПМИД   25288764 .

Дальнейшее чтение [ править ]

Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Voltage-sensitive_dye&oldid=1189056631"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 9c43dd4dac6630a8b70484392aa446f5__1702112340
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/9c/f5/9c43dd4dac6630a8b70484392aa446f5.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Voltage-sensitive dye - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)