Чувствительный к напряжению краситель
 | Эта статья нуждается в дополнительных ссылок для проверки . ( декабрь 2008 г. ) |
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 ]
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 красители, чувствительные к напряжению, 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, который вызывает 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 шипики [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 проникают через соединительную ткань или не перемещаются через внутриклеточные пространства к нужному для исследования участку мембраны. [11] Окрашивание является серьезной проблемой при применении этих красителей. Водорастворимые красители, такие как ANNINE-6plus , ElectroFluor-530s 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 ]
- ^ 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 . ПМК 9661650 . ПМИД 35667642 . S2CID 249354518 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «Потенциально-чувствительные красители ANEP» (PDF) . Инвитроген . 24 марта 2006 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 нацеливание 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 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Это 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Ариэли А., Стеркин А., Гринвальд А., Артсен А. (сентябрь 1996 г.). «Динамика текущей активности: объяснение большой изменчивости вызванных корковых ответов». Наука . 273 (5283): 1868–1871. Бибкод : 1996Sci...273.1868A . дои : 10.1126/science.273.5283.1868 . ПМИД 8791593 . S2CID 23741402 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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» . Ритм сердца . 4 (11): 1441–1451. дои : 10.1016/j.hrthm.2007.07.012 . ПМК 2121222 . ПМИД 17954405 .
- ^ 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 .
- ^ Крочини С., Коппини Р., Феррантини С., Ян П., Лоу Л.М., Теси С. и др. (октябрь 2014 г.). «Нарушения электрической активности Т-трубочек 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 . ПМЦ 4210349 . ПМИД 25288764 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Лоу Л.М. (январь 1996 г.). «Потенциометрические красители: визуализация электрической активности клеточных мембран» . Чистая и прикладная химия . 68 (7): 1405–1409. дои : 10.1351/pac199668071405 . S2CID 98804424 .