Чувствительный к напряжению краситель - Voltage-sensitive dye

Красители чувствительные к напряжению, также известный как потенциометрические красители, находятся красители которые меняют их спектральный свойства в ответ на Напряжение изменения. Они способны обеспечить линейные измерения огневой активности одиночных нейроны, большие популяции нейронов или активность миоциты. Многие физиологические процессы сопровождаются изменениями в клеточной мембранный потенциал которые можно обнаружить с помощью красок, чувствительных к напряжению. Измерения могут указывать на местонахождение потенциал действия происхождения, и можно получить измерения скорости и направления потенциала действия.[1]

Потенциометрические красители используются для контроля электрической активности внутри клеточных органелл, где невозможно вставить электрод, такой как митохондрии и Дендритный шип. Эта технология особенно эффективна для изучения паттернов активности сложных многоклеточных препаратов. Это также делает возможным измерение пространственных и временных вариаций в мембранный потенциал по поверхности одиночных ячеек.

Виды красителей

Зонды с быстрым откликом: это амфифильные красители для окрашивания мембран, которые обычно имеют пару углеводородных цепей, действующих как якоря мембраны, и гидрофильную группу, которая выравнивает хромофор перпендикулярно границе раздела мембрана / вода. Считается, что хромофор претерпевает большой сдвиг электронного заряда в результате возбуждения от земли к земле. возбужденное состояние и это лежит в основе предполагаемого электрохромного механизма чувствительности этих красителей к мембранному потенциалу. Эта молекула (краситель) интеркалирует среди липофильный часть биологические мембраны. Такая ориентация гарантирует, что индуцированное возбуждением перераспределение заряда будет происходить параллельно электрическое поле внутри мембраны. Следовательно, изменение напряжения на мембране вызовет спектральный сдвиг в результате прямого взаимодействия поля с основным и возбужденным состоянием дипольные моменты.

Новые красители напряжения могут определять напряжение с высокой скоростью и чувствительностью с помощью фотоиндуцированного переноса электронов (PeT) через сопряженный молекулярный провод.[2][3]

Зонды с медленным откликом: они демонстрируют потенциально-зависимые изменения в их трансмембранном распределении, которые сопровождаются изменением флуоресценции. Типичные датчики с медленным откликом включают катионные карбоцианины и родамины, и ионный оксонолы.

Примеры

Обычно используемые красители, чувствительные к напряжению, представляют собой замещенные аминонафтилэтенилпиридиновые (ANEP) красители, такие как ди-4-ANEPPS, ди-8-ANEPPS и RH237. В зависимости от их химических модификаций, которые изменяют их физические свойства они используются для различных экспериментальных процедур.[4] Впервые они были описаны в 1985 году исследовательской группой Лесли Лоу.[5] ANNINE-6plus новейший чувствительный к напряжению краситель с быстрым откликом (нс время отклика ) и высокое напряжение чувствительность. Он был применен для измерения потенциалов действия одного Т-трубочка кардиомиоцитов Guixue Bu et al.[6] Недавнее вычислительное исследование подтвердило, что на красители ANEP влияет только электростатическая среда, а не специфические молекулярные взаимодействия.[7]

Материалы

Основным материалом для визуализации активности мозга с помощью чувствительных к напряжению красителей являются сами красители. Эти чувствительные к напряжению красители липофильный и предпочтительно локализованы в мембранах с их гидрофобными хвостами. Они используются в приложениях, связанных с флуоресценцией или поглощением; они быстродействующие и могут обеспечивать линейные измерения изменений мембранного потенциала.[8]

В сочетании с красителями может использоваться различное специализированное оборудование, и выбор оборудования будет варьироваться в зависимости от особенностей препарата. По сути, оборудование будет включать в себя специализированные микроскопы и устройства формирования изображений, а также могут включать технические лампы или лазеры.[8]

Сильные и слабые стороны

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

  • Измерение сигналов популяции из многих областей может проводиться одновременно, и могут быть записаны сотни нейронов. Такие многосайтовые записи могут предоставить точную информацию о возникновении и распространении потенциала действия (включая направление и скорость), а также обо всей ветвящейся структуре нейрона.[8]
  • Можно проводить измерения спайковой активности в ганглии, вызывающей поведение, и они могут предоставить информацию о том, как это поведение вызывает.[8]
  • В некоторых препаратах фармакологические эффекты красителей можно полностью изменить, удалив пипетку для окрашивания и предоставив нейрону 1-2 часа для восстановления.[8]
  • Красители можно использовать для анализа интеграции сигналов в терминальных дендритных ветвях. Красители, чувствительные к напряжению, являются единственной альтернативой генетически закодированным красителям. протеины, чувствительные к напряжению (Такие как Ci-VSP производные белки) для этого.[8]

Слабые стороны визуализации активности мозга с помощью чувствительных к напряжению красителей включают следующие проблемы:

  • Красители, чувствительные к напряжению, могут очень по-разному реагировать от одного препарата к другому; обычно необходимо протестировать десятки красителей, чтобы получить оптимальный сигнал.[8] параметры визуализации, такие как длина волны возбуждения, длина волны излучения, время экспозиции, также должны быть оптимизированы.
  • Красители, чувствительные к напряжению, часто не проникают сквозь соединительная ткань или перемещаться через внутриклеточные пространства к желаемой для исследования области мембраны.[8] Окрашивание - серьезная проблема при нанесении этих красителей. Водорастворимые красители, такие как ANNINE-6plus, не страдайте этой проблемой.
  • Шум является проблемой для всех препаратов с красителями, чувствительными к напряжению, и в некоторых препаратах сигнал может быть значительно затемнен.[8] Отношение сигнал / шум можно улучшить с помощью пространственная фильтрация или алгоритмы временной фильтрации. Существует множество таких алгоритмов; один алгоритм обработки сигналов можно найти в недавней работе с красителем ANNINE-6plus.[6]
  • Лечение может необратимо повлиять на клетки. Возможны длительные фармакологические эффекты, а фотодинамика красителей может быть разрушительной.[8]

Использует

Красители, чувствительные к напряжению, использовались для измерения нейронной активности в нескольких областях нервной системы у различных организмов, включая гигантский аксон кальмара,[9] бочки для усов соматосенсорной коры крыс,[10][11] обонятельная луковица саламандры,[12][13][14] зрительная кора кота,[15] оптический покров лягушки,[16] и зрительная кора макака резус.[17][18]

Рекомендации

  • Потенциометрические красители: визуализация электрической активности клеточные мембраны. Лесли М. Лоу. Pure & Appl. Черн., Т. 68, No. 7, pp. 1405–1409.1996.
  1. ^ Коэн Л.Б., Зальцберг Б.М. (1978). Оптическое измерение мембранного потенциала. Обзоры физиологии, биохимии и фармакологии. 83. С. 35–88. Дои:10.1007/3-540-08907-1_2. ISBN  978-3-540-08907-0.
  2. ^ Вудфорд, Клиффорд; Цзянь, Роджер (2015). "Предыдущая статья Следующая статья Оглавление Улучшенные молекулы PeT для оптического измерения напряжения в нейронах". Варенье. Chem. Soc. 137 (5): 1817–1824. Дои:10.1021 / ja510602z. ЧВК  4513930. PMID  25584688.
  3. ^ Сырбу, Думитру; Мясник, Джон Б.; Waddell, Paul G .; Андраш, Питер; Беннистон, Эндрю С. (2017). "Локально возбужденное состояние – связанное состояние с переносом заряда в качестве оптически отзывчивых нейронных пробников". Химия - Европейский журнал. 23 (58): 14639–14649. Дои:10.1002 / chem.201703366. ISSN  1521-3765.
  4. ^ «Паспорт коммерческого поставщика красителей ANEP» (PDF).
  5. ^ Флюлер Э., Бернхэм В.Г., Лоу Л.М. (октябрь 1985 г.). «Спектры, связывание с мембраной и потенциометрические ответы новых зондов сдвига заряда». Биохимия. 24 (21): 5749–55. Дои:10.1021 / bi00342a010. PMID  4084490.
  6. ^ а б Bu G, et al. (Март 2009 г.). «Равномерная реполяризация потенциала действия в сарколемме кардиомиоцитов желудочков in situ». Биофизический журнал. 96 (6): 2532–2546. Bibcode:2009BpJ .... 96.2532B. Дои:10.1016 / j.bpj.2008.12.3896. ЧВК  2907679. PMID  19289075.
  7. ^ Робинсон, Дэвид; Besley, Nicholas A .; О'Ши, Пол; Херст, Джонатан Д. (14 апреля 2011 г.). «Спектры излучения Di-8-ANEPPS в мембранах фосфолипидов / холестерина: теоретическое исследование». Журнал физической химии B. 115 (14): 4160–4167. Дои:10.1021 / jp1111372. PMID  21425824.
  8. ^ а б c d е ж грамм час я j Бейкер Б.Дж., Космидис Е.К., Вучинич Д. и др. (Март 2005 г.). «Визуализация мозговой активности с помощью красителей, чувствительных к напряжению и кальцию». Клетка. Мол. Нейробиол. 25 (2): 245–82. Дои:10.1007 / s10571-005-3059-6. PMID  16050036.
  9. ^ Гринвальд А., Хильдесхайм Р. (2004). «VSDI: новая эра в функциональной визуализации корковой динамики». Обзоры природы Неврология. 5 (11): 874–85. Дои:10.1038 / номер 1536. PMID  15496865.
  10. ^ Петерсен CC и др. (2003). «Пространственно-временная динамика сенсорных ответов в слое 2/3 ствола коры головного мозга крысы, измеренная in vivo с помощью визуализации чувствительного к напряжению красителя в сочетании с записями напряжения всей клетки и реконструкциями нейронов». J. Neurosci. 23 (4): 1298–309. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.23-04-01298.2003. PMID  12598618.
  11. ^ Петерсен CC, Сакманн Б. (2001). «Функционально независимые столбцы соматосенсорной ствольной коры крыс, выявленные с помощью визуализации чувствительного к напряжению красителя». J. Neurosci. 21 (21): 8435–46. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.21-21-08435.2001. PMID  11606632.
  12. ^ Cinelli AR, et al. (1995). «Активность нейронов обонятельной луковицы саламандры, наблюдаемая с помощью видео скорости, визуализации чувствительного к напряжению красителя. III. Пространственные и временные свойства ответов, вызванных стимуляцией одорантом». J. Neurophysiol. 73 (5): 2053–71. Дои:10.1152 / ян.1995.73.5.2053. PMID  7542699.
  13. ^ Cinelli AR, Kauer JS (1995). «Активность нейронов обонятельной луковицы саламандры, наблюдаемая с помощью видеосигнала, визуализации чувствительного к напряжению красителя. II. Пространственные и временные свойства ответов, вызванных электрической стимуляцией». J. Neurophysiol. 73 (5): 2033–52. Дои:10.1152 / ян.1995.73.5.2033. PMID  7623098.
  14. ^ Cinelli AR, et al. (1995). «Активность нейронов обонятельной луковицы саламандры, наблюдаемая с помощью видеосигнала, визуализации чувствительного к напряжению красителя. I. Характеристика системы записи». J. Neurophysiol. 73 (5): 2017–32. Дои:10.1152 / ян.1995.73.5.2017. PMID  7542698.
  15. ^ Ариэли А. и др. (1996). «Динамика текущей активности: объяснение большой вариабельности вызванных корковых ответов». Наука. 273 (5283): 1868–71. Bibcode:1996 Научный ... 273.1868A. Дои:10.1126 / science.273.5283.1868. PMID  8791593.
  16. ^ Гринвальд А. и др. (1984). «Оптическое изображение в реальном времени вызванной естественным образом электрической активности в интактном мозге лягушки». Природа. 308 (5962): 848–50. Bibcode:1984Натура.308..848Г. Дои:10.1038 / 308848a0. PMID  6717577.
  17. ^ Slovin H, et al. (2002). «Долгосрочная визуализация чувствительных к напряжению красителей показывает корковую динамику поведения обезьян». J. Neurophysiol. 88 (6): 3421–38. Дои:10.1152 / ян.00194.2002. PMID  12466458.
  18. ^ Seidemann E, et al. (2002). «Динамика деполяризации и гиперполяризации в лобной коре и цели саккад». Наука. 295 (5556): 862–5. Bibcode:2002Наука ... 295..862С. CiteSeerX  10.1.1.386.4910. Дои:10.1126 / science.1066641. PMID  11823644.