مقالة منهجية

الحمار الوحشي II كنظام جديد لتسجيل الإشارات الفيزيولوجية الكهربية في أسماك الزرد

1.1K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/67066

⸱

أغسطس 16, 2024

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, UC Irvine, 2Department of Electrical Engineering and Computer Science, UC Irvine, 3Sensoriis Inc., 4Department of Biochemistry and Molecular Biology, Mayo Clinic

في هذه المقالة

ملخص

تقدم الدراسة Zebra II ، وهو نظام متقدم للحصول على ECG لفترات طويلة وتحليله في أسماك الزرد. يتميز هذا النظام بنظام نضح مستقل وأقطاب كهربائية متعددة النقاط للتعامل مع أسماك متعددة في بيئات خاضعة للرقابة. تم تقييم التأثيرات الحادة للأميودارون وتحليلها باستخدام أسماك الزرد البرية.

الملخص

< p class = "jove_content" fo: break-after = "page" > تم استخدام أسماك الزرد وخطوطها الطافرة على نطاق واسع في التحقيقات الطبية الحيوية ودراسات القلب والأوعية الدموية وفحص الأدوية. في الدراسة الحالية ، يتم تقديم النسخة التجارية من النظام الجديد ، Zebra II. يوضح البروتوكول الحصول على مخطط كهربية القلب (ECG) وتحليله من أسماك زرد متعددة في بيئات عمل يمكن التحكم فيها. يتكون الجهاز من نظام نضح خارجي ومستقل ، وقطب كهربائي من 4 نقاط ، وأجهزة استشعار درجة الحرارة ، ونظام إلكتروني مدمج. في الدراسات السابقة ، خضع النموذج الأولي للجهاز للتحقق من صحة نظام iWORX المعمول به من خلال العديد من الاختبارات ، مما يدل على جودة بيانات مماثلة واستجابة تخطيط القلب للتدخلات الدوائية. بعد ذلك ، تعمقت الدراسة في فحص تأثير أدوية التخدير وتقلبات درجات الحرارة على مخطط كهربية القلب لأسماك الزرد ، مما استلزم تقييما فوريا للبيانات. بفضل قدرة الجهاز على التوصيل المتسق لأدوية التخدير والأدوية ، كان من الممكن تمديد جمع بيانات تخطيط القلب حتى ساعة واحدة ، وهي أطول بشكل ملحوظ من مدة 5 دقائق التي تدعمها الأنظمة الحالية. تقدم هذه الورقة تحليلا آليا رائدا قائما على السحابة يستخدم بيانات من أربعة أسماك زرد ، مما يوفر طريقة فعالة لإجراء تجارب مركبة وتقليل الوقت والجهد بشكل كبير. أثبت النظام فعاليته في التقاط وتحليل تخطيط القلب ، خاصة في الكشف عن عدم انتظام ضربات القلب الناجم عن الأدوية في أسماك الزرد البرية. بالإضافة إلى ذلك ، سهلت القدرة على جمع البيانات عبر قنوات متعددة تنفيذ تجارب عشوائية ذات شواهد باستخدام نماذج أسماك الزرد. يتغلب نظام تخطيط القلب المطور على القيود الحالية ، مما يدل على إمكانية تسريع اكتشاف الأدوية وأبحاث القلب والأوعية الدموية التي تشمل أسماك الزرد.

المقدمة

أمراض القلب والأوعية الدموية (CVDs) هي السبب الرئيسي للوفاة في جميع أنحاء العالم. وفقا لتقرير تحديث جمعية القلب الأمريكية لعام 2024 ، يموت حوالي 2552 شخصا كل يوم بسبب الأمراض القلبية الوعائية في الولايات المتحدة ، وقدر متوسط التكلفة المباشرة وغير المباشرة للأمراض القلبية الوعائية بنحو 378.0 مليار دولار في 2017-2018< sup class = "xref">1. الرجفان الأذيني (AF) هو أحد أكثر حالات عدم انتظام ضربات القلب شيوعا في الولايات المتحدة2 ويرتبط بتشخيص غير موات ، مما يزيد من خطر الإصابة بالسكتة الدماغية والوفاة في كل من الأمراض القلبية الوعائية وسيناريوهات الأمراض غير القلبية الوعائية ، مما يؤدي إلى زيادة خطر النتائج السلبية< فئة الدعم = "xref">3. يتميز هذا النوع من عدم انتظام ضربات القلب بنشاطه الكهربائي السريع وغير المنتظم في الأذينين ، والذي ينتج عنه عادة إيقاع بطيني سريع وغير منتظم< فئة sup = "xref">4. علاوة على ذلك ، نظرا للأحداث الأخيرة ل COVID-19 ، كان هناك عدد متزايد من الدراسات والأدلة التي تظهر زيادة ظهور عدم انتظام ضربات القلب فيما يتعلق ب COVID-19 ، ومعظمها لبطء القلب الجيبي < فئة sup = "xref" >5. على الجانب الآخر من الرجفان الأذيني ، يمثل بطء القلب الجيبي انخفاضا وأبطأ في إيقاع القلب ، مع معدل ضربات قلب أقل من 60 نبضة في الدقيقة (نبضة في الدقيقة). يتطلب هذا التشخيص مخطط كهربية القلب (ECG) يظهر إيقاع الجيوب الأنفية الطبيعي بمعدل أقل من 60 نبضة في الدقيقة.

أثبت سمك الزرد ، Danio rerio ، أنه نموذج مثالي لدراسات تطوير القلب والأوعية الدموية والأدوية بسبب تماثلها مع البشر في كل من التشكل وعلم وظائف الأعضاء وعلم الوراثة< فئة sup = "xref">6،7. على الرغم من وجود غرفتين فقط يمكن تمييزهما مقارنة بالقلب المكون من أربع غرف في البشر ، إلا أن سمكة الزرد تمتلك بنية انقباضية مماثلة مع نظام توصيل مماثل < فئة الدعم = "xref" >8،< sup class = "xref">9. ومن ثم ، فإن نموذج الزرد مناسب للبحث عن عدم انتظام ضربات القلب واستكشاف العلاقة بين المسارات الجينية ذات الصلة والخصائص الفيزيولوجية الكهربية من خلال تحليل تخطيط القلب. فيما يتعلق بتصميم المستشعر لتسجيل تخطيط القلب في أسماك الزرد ، يتم استخدام أقطاب الإبرة التقليدية بشكل شائع< فئة sup = "xref" >10. قدمت دراسات أخرى بدائل للإبر التقليدية من خلال تصميم نوع مختلف من الإبر المصنوعة من مواد مختلفة< فئة الدعم = "xref">11 ، هذه المواد المدمجة مثل خيوط التنغستن والفولاذ المقاوم للصدأ والأسلاك الفضية لتقييم جودة البيانات المسجلة. جنبا إلى جنب مع مجموعة تخطيط القلب المحمولة ، سعوا إلى إنشاء منصة عالمية لكل من المختبرات البحثية والتعليمية.

تم نشر نظام الإبرة أيضا في دراسات أخرى< sup class = "xref" >11,12,13,14 لإجراء بحث حول التأثيرات البيولوجية و / أو المخدرات ، حيث أظهر نتائج مشجعة. ومع ذلك ، للحصول على الإشارات المثلى ، كان من الضروري إدخال الإبر بعناية من خلال أدمة الزرد. يمكن أن يتسبب هذا الإجراء الغازي في إصابة قلب السمكة بسبب حدة الإبر ، وبالتالي من المحتمل أن يغير مورفولوجيا الإشارة < فئة sup = "xref" >13. علاوة على ذلك ، فإن وضع القطب الكهربائي بدقة على القلب الصغير دون التسبب في ضرر لضمان التقاط مخطط كهربية القلب بوضوح يمثل منحنى تعليميا كبيرا. وبالتالي ، تم إدخال العديد من أنظمة المسبار البديلة ، مثل مصفوفات الأقطاب الكهربائية الدقيقة (MEA) وأجهزة الاستشعار المطبوعة ثلاثية الأبعاد. نجح كل من فريقنا والباحثين الآخرين في استخدام MEA للحصول على البيانات ، وتحقيق البيانات التي توفر نسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة (SNR) جنبا إلى جنب مع الدقة المكانية والزمانية العالية< فئة الدعم = "xref" >15،16,17. على سبيل المثال ، قدمنا MEA الذي يغلف قلب السمكة ، مما يسمح بالتقاط إشارات تخطيط القلب الخاصة بالموقع15,16. في المقابل ، طور فريق آخر نوعا مختلفا من MEA بناء على لوحة دوائر مطبوعة مرنة (FPCB) مصنوعة من فيلم بوليميد يهدف إلى تسجيل مخططات كهربية الدماغ المتعددة (EEGs) لأبحاث الصرع< فئة sup = "xref" >18. في حين أن الاتفاقات البيئية المتعددة الأطراف تمكن من تسجيل العديد من الإشارات ، إلا أنها محدودة بالقدرة على تقييم سمكة واحدة فقط في كل مرة بسبب العدد المحدود لقنوات الأقطاب الكهربائية. استجابة لهذا القيد ، عرضنا مؤخرا نظاما متقدما قادرا على تسجيلات تخطيط القلب المتزامنة من العديد من الأسماك < sup class = "xref" >19. يستخدم هذا النظام قطبين كهربائيين ، سمك كل منهما 125 ميكرومتر ومصنوع من البوليميد ، مع أقطاب كهربائية متناثرة بالذهب موضوعة في الجزء السفلي من غلافها لتسهيل الحصول على البيانات. ومع ذلك ، أدى تضمين مضخة تدوير المياه إلى حدوث ضوضاء ، مما أثر على جودة نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) لإشارات تخطيط القلب. بالإضافة إلى ذلك ، كان من الضروري استخدام أدوات جمع البيانات الضخمة والمكلفة ، والتي تتطلب اتصالا سلكيا بجهاز كمبيوتر. في السوق ، توفر أنظمة مثل iWORX قابلية محسنة للنقل من خلال مكبر صوت مضغوط ، ومع ذلك فهي تواجه مشكلات لم يتم حلها: (أنا) وقت التسجيل الخاص بهم قصير جدا (3-5 دقائق) للتجارب التي تحتاج إلى فترات أطول ، مثل تلك التي تنطوي على تأثيرات دوائية حادة. (ثانيا) متطلبات تخدير ، والتي يمكن أن تجهدها وتحرف بيانات الفيزيولوجيا الكهربية للقلب الفطرية ؛ (3) القياسات اليدوية والمتسلسلة تعوق البحث مع أعداد كبيرة من الأسماك؛ و (رابعا) الحاجة إلى معالجة بيانات تخطيط القلب غير المتصلة بالإنترنت وكثيفة العمالة. الأهم من ذلك ، لم تظهر حتى الآن أنظمة عالية الإنتاجية تتضمن إلكترونيات دقيقة لتحليل الأنماط الظاهرية الطافرة. لذلك ، فإن إنشاء أنظمة عالية الإنتاجية تتيح تسجيل تخطيط القلب الممتد أمر بالغ الأهمية للكشف عن الروابط بين الأنماط الظاهرية لعدم انتظام ضربات القلب والأنماط الجينية الطافرة ، وتحديد الأنماط الظاهرية المتعددة لعدم انتظام ضربات القلب المرتبطة بالأنماط الجينية الطافرة المفردة ، واختبار فعالية أدوية القلب باستخدام نموذج سمك الزرد. وبالتالي ، قدمنا ، في عام 2022 ، النموذج الأولي الرائد لنظام Zebra II. تم تجهيز هذا النظام الجديد لإجراء تسجيلات مخطط كهربية القلب الموسعة من عدة أسماك في وقت واحد. ولتحقيق ذلك، تم تصميم نظام إلكتروني داخلي، باستخدام تقنية إنترنت الأشياء (IoT) لنقل البيانات لاسلكيا وتمكين تحليل البيانات من خلال تطبيق الهاتف المحمول. لم يعزز تضمين تقنية إنترنت الأشياء مرونة النظام وقابليته للنقل فحسب ، بل سهل أيضا التعاون عن بعد للبحث عن نماذج أسماك الزرد. في دراسة سابقة ، تحققنا من فعالية النظام من خلال اختبارات مكثفة ، وأظهرنا قدرته على 1) الحصول على بيانات تخطيط القلب في وقت واحد من أربع أسماك. 2) إجراء تسجيلات مستمرة لتخطيط القلب لمدة تصل إلى 1 ساعة ، والتي تتجاوز بشكل كبير سعة الأنظمة الحالية التي تلتقط بضع دقائق فقط ؛ 3) تقليل الآثار المربكة للتخدير عن طريق استخدام تركيز منخفض بنسبة 50٪ من Tricaine. علاوة على ذلك ، أظهر النظام قدرة قوية على تسجيلات تخطيط القلب الطويلة عبر تجارب مختلفة ، مثل تلك التي تنطوي على كتلة الجيبية الأذينية الناجمة عن الصوديوم (SA) ، والتغيرات في معدل ضربات القلب الناجمة عن درجة الحرارة ، وعدم انتظام ضربات القلب الناجم عن الأدوية في كل من Tg (SCN5A-D1275N) الطافرة والأسماك البرية في ظل ظروف تجريبية خاضعة للرقابة. يتيح اعتماد النظام لقنوات أقطاب كهربائية متعددة لتسجيل تخطيط القلب الممتد إجراء تجارب عشوائية ذات شواهد ، مما يسمح بدراسة سمكتين لكل مجموعة تجريبية في ظل ظروف متطابقة< فئة sup = "xref" >20. في هذه الورقة ، نقدم النسخة المطورة من النظام ، والتي تتميز بقطب كهربائي من 4 نقاط. يتيح هذا التحسين للمستخدمين التقاط قراءات تخطيط القلب من مواقع مختلفة على الأسماك ، مما يقلل بشكل كبير من فرصة الحصول على إشارات تخطيط القلب منخفضة الجودة. علاوة على ذلك ، يعتمد هذا التكرار على غالبية الوظائف الموضحة في البحث السابق < sup class = "xref" > 19 وينقيحها. يظهر نظام تخطيط القلب المتطور هذا وعدا كبيرا في معالجة القيود الحالية ، وبالتالي تسهيل تحليل الأنماط الظاهرية لعدم انتظام ضربات القلب وفحص الأدوية في أسماك الزرد. تم اختبار الإضافة المبتكرة للقطب الكهربائي المكون من 4 نقاط بدقة من خلال دراسة موجزة حول عدم انتظام ضربات القلب الناجم عن الأدوية في أسماك الزرد البرية ، مما يؤكد فعاليتها.

البروتوكول

يضمن الالتزام الصارم بالإرشادات الأخلاقية الرفاهية والتعامل المناسب مع أسماك الزرد المشاركة في تجاربنا. تم إجراء جميع الأنشطة التجريبية وفقا للمعايير التي وضعتها اللجان المؤسسية لرعاية واستخدامه (IACUC). تم تنفيذ التجارب والنتائج المفصلة هنا بموافقة IACUC بموجب البروتوكول المصرح به AUP-21-066.

< p class = "jove_title" >1. تحضير وتخزين محاليل المخزون

< p class = "jove_content" > تنبيه: قم بإعداد محلول مخزون التريكيين في غطاء الدخان ، مع ارتداء معدات الحماية الشخصية المناسبة (PPE).

  1. قم بقياس 400 مجم من مسحوق التريكيين وحله في 97.9 مل من الماء منزوع الأيونات (DI). ضع أداة التحريك المغناطيسي في الحاوية واخلط المحلول تدريجيا.
  2. اضبط الرقم الهيدروجيني عن طريق إضافة أقل من 17 مل من محلول هيدروكسيد الصوديوم بشكل تدريجي. استمر في إضافة قطرات هيدروكسيد الصوديوم حتى يصل الرقم الهيدروجيني إلى نطاق 6.8.-7.2.
  3. حدد التركيز النهائي لمحلول التريكيين ، مع مراعاة هيدروكسيد الصوديوم المضاف الضروري لضبط الأس الهيدروجيني وتخزينه.
    ملاحظة: محلول التريكايين حساس للضوء ويجب تخزينه في حاوية بلون كهرماني عند 4 درجات مئوية عندما لا يكون قيد الاستخدام.
  4. قم بقياس 258.13 مجم من أميودارون وحلها في 1 لتر من ماء DI. أدخل أداة تقليب مغناطيسية في الحاوية وحركها لبضع دقائق حتى يذوب المحلول تماما ويخلو من أي مسحوق. قم بتخزين المحلول داخل الثلاجة على حرارة 4 درجات مئوية عندما لا يكون قيد الاستخدام.
    ملاحظة: يجب تحضير Amiodarone داخل شفاط الدخان وتخزينه داخل الثلاجة عند 4 درجات مئوية.
< ص الفئة = "jove_title" >2. تربية الأسماك

  1. الحفاظ على الأسماك في أحواض فردية مرتبطة بنظام مياه متداولة ، مع الحفاظ على درجة الحرارة بين 28-29 درجة مئوية.
  2. ضمان المراقبة المستمرة لجودة المياه والالتزام بدورة 14 ساعة / 10 ساعات ليلا ونهارا.
  3. قسم 40 سمكة إلى أربع مجموعات ، تتكون كل منها من 10 أسماك ، وضعها في أحواض منفصلة.

3. إعداد الجهاز

ملاحظة: يجب تنفيذ الإجراء الموضح في الخطوة 3.2 لكل غرفة من غرف الجهاز (<فئة قوية = "xfig" >الشكل 1). بينما يمكن إعداد كل غرفة بشكل مختلف ، من أجل الاتساق في التجربة ، ينصح بالحفاظ على إعدادات موحدة في جميع الغرف.

  1. قم بتوصيل الجهاز بمصدر طاقة وابدأ التشغيل بالضغط على الزر الأحمر الموجود على اللوحة الأمامية.
  2. انتقل عبر شاشة اللمس الخاصة بالجهاز لاختيار الغرفة المراد تكوينها.
    1. اضبط إعداد مرشح التردد المنخفض على 0.1 هرتز وإعداد مرشح التردد العالي على 500 هرتز. اضبط إعداد الكسب على 10,000.
  3. ارفع الغطاء الأمامي للوصول إلى الغرف الأربع. قبل بدء التجربة ، اغمر إسفنجة كل غرفة (إسفنجة السليلوز القياسية) في محلول التريكايين ، ثم اعصر أي سائل زائد.
  4. قم بتدوير المصفوفة المكونة من أربعة أقطاب كهربائية للتأكد من إمكانية الوصول إلى الإسفنجة قبل إدخال السمكة.
< ص الفئة = "jove_title">4. علاج أميودارون

ملاحظة: استخدم المياه من أحواض الأسماك (مياه السمك) لتحضير محاليل مخففة من أميودارون وتريكايين. يجب تكرار الخطوتين 4.3 و4.4 لكل مجموعة مفصولة في الخطوة 2.3 لكل محلول معد في الخطوة 4.1.

  1. اتبع الخطوات الموضحة أدناه لتخفيف محلول مخزون Amiodarone.
      قم
    1. بتخفيف 8.75 مل من محلول المرق إلى 41.25 مل من ماء السمك لتحقيق تركيز 70 ميكرومتر.
    2. قم بتخفيف 12.5 مل من محلول المرق إلى 37.5 مل من ماء السمك لتحقيق تركيز 100 ميكرومتر.
      3. قم
    3. بتخفيف 25 مل من محلول المرق في 25 مل من ماء السمك لتحقيق تركيز 200 ميكرومتر.
  2. تحضير محلول التخدير عن طريق تخفيف 4 مل من محلول مخزون التريكايين في 100 مل من ماء السمك ، مما ينتج عنه تركيز تريكايين 0.16 مجم / مل
  3. اغمر كل سمكة على حدة في محلول أميودارون المحضر لمدة 5 دقائق. استخدم أجهزة ضبط الوقت لمراقبة مدة الغمر بدقة.
  4. انقل السمك إلى محلول التريكايين لمدة 2-3 دقائق للتخدير. تأكد من أن العلاج لا يسبب موت الأسماك. إذا أظهرت سمكة سلوكا غير طبيعي ، مثل فقدان اللون أو انخفاض كبير في حركة الخياشيم ، فقم بإزالتها من المحلول على الفور ووضعها مرة أخرى في مياه السمك النظيفة.
< p class = "jove_title" >5. جمع بيانات تخطيط القلب

ملاحظة: اتبع هذه التعليمات على الفور بعد إكمال الخطوة 4.4. كرر العملية لكل غرفة قبل إغلاق الجهاز. تم تصميم الغرف لاستيعاب الأسماك التي يتراوح عرضها من 4-10 مم وطولها 25-50 مم.

  1. ارفع السمك من محلول التريكايين وضعه على الإسفنجة ، مع التأكد من أن جانبه البطني متجها لأعلى.
  2. ضع مجموعة الأقطاب الكهربائية في شكل معين فوق منطقة صدر السمكة لالتقاط إشارات تخطيط القلب من أربع نقاط مختلفة في وقت واحد (<فئة قوية = "xfig" >الشكل 2 أ ، ب). تأكد من ضبط كل قطب كهربائي بعناية حتى يتلامس كل دبوس مع جلد السمكة.
    1. قم بتدوير كل قطب كهربائي ، وخفض الدبوس حتى يتلامس مع الجانب السفلي للسمكة. إذا كان الدبوس مرتفعا جدا ، فقم بتدوير المسمار اللولبي المقابل في اتجاه عساعت لخفضه حتى يلامس السمكة.
    2. قم بإجراء الضبط الموضح أعلاه للأقطاب الكهربائية في جميع الغرف.
  3. أغلق غطاء الغرف بمجرد وضع جميع مصفوفات الأقطاب الكهربائية بشكل صحيح فوق السمكة في غرف التشغيل.
  4. ضع علامة على كل غرفة للتسجيل عن طريق تحديدها على شاشة اللمس، ثم ابدأ التسجيل بالنقر فوق الزر "تسجيل" على الشاشة.
  5. انقر فوق الزر "إيقف" بعد دقيقتين ثم انقر فوق الزر "حفظ" من النوافذ المطالبة التي تنبثق على الشاشة بعد التوقف. احفظ المعلومات إما على قرص أو على السحابة ، اعتمادا على احتياجات البحث المحددة.

6. استكشاف أخطاء نظام تحديد المواقع ذو الأربعة أقطاب كهربائية وإصلاحها

ملاحظة: في بعض الأحيان ، قد يفشل قطب كهربائي واحد أو عدة أقطاب كهربائية في التقاط إشارة تخطيط كهربية القلب واضحة ، مما يستلزم إعادة التوضع. استخدم الخطوات التالية لاستكشاف أخطاء مصفوفة الأقطاب الكهربائية وإصلاحها عند الحاجة.

  1. اضغط على زر الإيقاف على واجهة الجهاز لإيقاف عملية التسجيل وتحديد القناة أو القنوات ذات الإشارات غير المتسقة.
  2. ارفع الغطاء الأمامي للوصول إلى غرف القطب. حدد الغرفة (الغرف) والأقطاب الكهربائية المحددة التي تسبب المشكلات.
  3. أدر المسمار العلوي في اتجاه عقارب الساعة لضبط قرب القطب من السمكة. سيؤدي هذا الإجراء إلى خفض القطب الكهربائي بالقرب من السمكة.
  4. كرر الخطوة 6.3 حسب الحاجة. إذا لم يؤد مجرد الاقتراب إلى حل المشكلة ، فقم بتدوير القطب الكهربائي إلى مكان مختلف على السمكة حتى يتم الحصول على إشارة مرضية.
< p class = "jove_title" >7. استخراج البيانات وتحليلها

ملاحظة: تستخدم جميع تحليلات البيانات الأساسية المقدمة في هذه الورقة تقنية Wavelet < sup class = "xref" >21 لتقليل أنواع مختلفة من الضوضاء والانحراف المعياري لنبضات الجيوب الأنفية الطبيعية (SDNN) لحساب تباين النبض إلى النبض ل HR في مقاطع مدتها دقيقة واحدة.

  1. بمجرد حفظ البيانات على القرص أو السحابة ، قم باستردادها لتحليلها أو أرسلها مباشرة إلى خادم سحابي لمزيد من المعالجة.
  2. انتقل إلى البيانات المحفوظة بالنقر فوق الزر استعراض على الشاشة وحدد مجموعات البيانات المراد استخدامها.
  3. حدد الزر "استخراج" على الخيارات التي تظهر على الشاشة وقم بتوصيل محرك أقراص USB بالجزء الخلفي من الجهاز لاستخراج البيانات.
  4. اتبع مطالبات الجهاز لحفظ مجموعات البيانات المحددة على محرك الأقراص الخارجي للاسترداد والتحليل اللاحق.

النتائج

إن القدرة على تسجيل إشارات تخطيط كهربائية القلب (ECG) من أسماك متعددة في وقت واحد تميز هذا الجهاز بشكل كبير، مما يوفر ميزة كبيرة في تقليل الوقت المطلوب لأبحاث الأدوية أو أبحاث القلب على سمك الزيبرا أو الأنواع المماثلة الأخرى (الشكل 1). قد يكون تسجيل إشارات ECG دقيقة أمراً صعباً بسبب الاختلافات التشريحية بين الأسماك، خاصة عندما يتعلق الأمر بوضع الأقطاب الكهربائية. تقليدياً، يتطلب الحصول على إشارة ECG واضحة وضع القطب النشط فوق القلب لتجنب التقاط الضربات الميكانيكية أو التداخلات الناتجة عن الحركة، مع وضع القطب المرجعي باتجاه أسفل البطن. ومع ذلك، قد يكون تحديد الموقع الدقيق للقلب صعباً بسبب عمقه داخل الأنسجة أو عدم استواء سطح السمكة. وفي بعض الأحيان، يجب تحريك الأقطاب الكهربائية باستخدام أجهزة التحكم الدقيقة (micromanipulators) لضمان الوضع الدقيق، وهو ما قد يتطلب محاولات متعددة قبل التقاط إشارة عالية الجودة.

للتغلب على هذه التحديات، يقدم النظام نهجاً مبتكراً باستخدام تكوين مكون من أربعة أقطاب كهربائية بدلاً من أقطاب العمل الفردية التقليدية. يعمل كل قطب بشكل مستقل، مما يسمح بإجراء تعديلات في ثلاثة أبعاد: الأعلى والأسفل (الارتفاع)، والميل للأمام والخلف (الانحدار)، والدوران حول المحور الرأسي (التدحرج). وتثبت هذه المرونة فائدتها بشكل خاص عند التعامل مع أسماك ذات أشكال متنوعة، حيث تتيح تحديد موضع الأقطاب بدقة إما لالتقاط أفضل إشارة ECG أو لاستكشاف كيفية تباين قراءات ECG مع نقاط التلامس المختلفة على جسم السمكة.

لا تقتصر هذه الميزة على تعزيز كفاءة دراسات القلب والأدوية فحسب، بل تفتح أيضاً آفاقاً أوسع لتخطيط كهربية القلب (ECG) وحتى تقنيات تسجيل تخطيط كهربية القلب. ونظراً لأن هذه الطرق لم يتم توحيد معاييرها بعد وغالباً ما يتم تخصيصها لتلائم الظروف المحددة للخاضع للتجربة، فإن هذا الجهاز يفتح مسارات جديدة للبحث، مما يوفر طرقاً أكثر مرونة وموثوقية لجمع البيانات (الشكل 2).

تتمثل إحدى الميزات المميزة لهذا النظام في قدرته على تقييم ما يصل إلى أربعة أدوية مختلفة بالتزامن على أربع أسماك منفصلة، أو استقصاء تأثيرات ما يصل إلى أربع جرعات مختلفة من دواء واحد عبر أربع أسماك متميزة. ويمكن أن يتراوح الإعداد التجريبي من تعريض حاد قصير المدى إلى جلسات أطول تمتد لساعة واحدة، وتتضمن جرعات دوائية متغيرة أو تغيرات في الظروف البيئية مثل درجة الحرارة والتخدير. في هذه الدراسة، أجرينا تجربة قصيرة لإثبات فعالية الطريقة، مع تسليط الضوء بشكل خاص على وظيفة مصفوفة الأقطاب الكهربائية الأربعة. وقد اختبرنا ثلاث جرعات متفاوتة من Amiodarone، وهو دواء مضاد لاضطرابات نظم القلب من الفئة الثالثة المعروف بقدرته على تحفيز بطء ضربات القلب وإطالة فترة QT في zebrafish، على مدى فترة تعريض استمرت 5 min، على غرار دراسة سابقة20 استخدمت النموذج الأولي الأول لهذا الجهاز.

بالاتساق مع الأبحاث السابقة، أظهرت الأسماك استطالة في فترة QTc وانخفاضاً في معدل ضربات القلب مقارنة بمجموعة التحكم غير المعالجة. وعلى الرغم من قصر مدة التعرض، والتي تعد أقل من المدد المستخدمة في العديد من الدراسات المماثلة التي تصل إلى 1 h، فقد تمكنا من ملاحظة تغيرات معنوية في إشارات تخطيط كهربائية القلب (ECG) والمعايير القلبية (الشكل 3).

يوضح الشكل 3A,B كيف أدى العلاج بـ Amiodarone إلى إحداث تغييرات ملحوظة في تخطيط كهربائية القلب (ECG)، والتي تزايدت مع زيادة الجرعة. ومن الجدير بالذكر أن فاصل QTc قد تمدد مع كل زيادة متتالية في الجرعة مقارنة بمجموعة الضبط، التي أظهرت فاصل QTc قدره 330 ms. وفي المجموعات المعالجة، تم قياس فواصل QTcs عند 365 ms لجرعة 70 µM من Amiodarone، و480 ms لجرعة 100 µM، و546 ms لجرعة 200 µM. وبالمقابل، لوحظ انخفاض ملحوظ في معدل ضربات القلب استجابةً لجرعات Amiodarone المتفاوتة وتمدد فواصل QTcs. حيث انخفض معدل ضربات القلب بشكل كبير من متوسط 120 ±5 BPM في مجموعة الضبط إلى 105 ±10 BPM عند جرعة 70 µM من Amiodarone، و90 ± 5 BPM عند جرعة 100 µM، و84 ±5 BPM عند جرعة 200 µM (الشكل 3C,D).

بناءً على هذه النتائج، يمكننا استنتاج أن التقنية المقترحة حديثًا تظهر جودة مماثلة للدراسات السابقة17,18، حيث تعتمد نهج القطبين الكهربائيين (قطب عمل واحد وقطب مرجعي واحد). لقد نجحنا في جمع البيانات من أربعة أقطاب عمل، واخترنا القطب الأمثل للتحليل ومن ثم الإبلاغ عن معاملات القلب المتوقعة. وتتوافق معايير الاختيار مع تلك المستخدمة في الطرق السابقة، مع التأكيد على ضرورة التصوير الواضح لمركب PQRST وانخفاض ضوضاء خط الأساس في إشارة ECG. وهذا يتيح حساب فترات QT و QTc ويسهل تحديد الفروق الواضحة. كما خضعت المنهجية لمزيد من التحقق من خلال الاختبار من قبل ثلاثة باحثين إضافيين من مجموعتنا ممن لم يشاركوا في تطوير الجهاز الحالي. حيث قاموا أولاً بتنفيذ المنهجية الأولية التي اقترحها المصممون، ومن ثم اقترحوا تعديلات بناءً على ملاحظاتهم، مما أدى إلى تحسين النهج المقدم الآن. لقد كانت هذه العملية التكرارية من التحسين حاسمة في تطوير الجهاز، من خلال الاستفادة من رؤى باحثين خارجيين لجعله أكثر سهولة في الاستخدام وفعالية للتطبيقات المستقبلية.

تؤكد هذه الدراسة الموجزة حول الاستجابة الدوائية كفاءة الجهاز ليس فقط في تسجيل تخطيطات كهربائية للقلب (ECGs) بشكل متزامن من أربع أسماك مختلفة تحت ظروف متنوعة، بل وأيضاً في التقاط إشارات متعددة (أربع) لتخطيط القلب لكل سمكة. تقلل هذه القدرة متعددة العوامل بشكل كبير من الوقت والجهد المطلوبين لوضع الأقطاب الكهربائية، كما تقلل من احتمالية حدوث خطأ بشري من خلال توفير مجموعة من الإشارات. ويتيح هذا الخيار إما اختيار الإشارة الأكثر دقة أو القدرة على تجميع البيانات من إشارات متعددة بناءً على هدف الدراسة. ومع ذلك، من المهم توضيح أن استخدام إعداد الأقطاب الأربعة لا يضمن تلقائياً أن تكون جميع الإشارات الأربع نقية وعالية الجودة. إن الهدف الأساسي من تقديم هذه الميزة المبتكرة هو الحد من الأخطاء البشرية وتوفير الوقت من خلال تمكين أربعة تسجيلات متزامنة بدلاً من التسجيلات المتتالية، وهو أمر أكثر كفاءة من حيث الوقت وأقل إجهاداً للأسماك، نظراً لمحدودية تحملها للبقاء خارج الماء وتحت تأثير التخدير.

مخطط لإعداد الفيزيولوجيا الكهربائية مع نظام Zebra II، وحامل بـ 4 أقطاب كهربائية، ومصفوفة أقطاب كهربائية متعددة.
الشكل 1: نظام Zebra II. (A) منظر متساوي القياس لجهاز Zebra II (نموذج SolidWorks) مع المكونات الموضحة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

مخطط لإعداد تخطيط كهربائية القلب متعدد الأقطاب والنتائج لمراقبة قلب الأسماك؛ تظهر بيانات القنوات 1-4.
الشكل 2: مواضع وضع الأقطاب الكهربائية في سمكة الزيبرا. (أ) درجات حرية حامل الأقطاب الكهربائية رباعي النقاط (صورة مفاهيمية). (ب) وضع الأقطاب الكهربائية على صدر السمكة. (ج) إشارة تخطيط كهربائية القلب من حامل الأقطاب الكهربائية رباعي النقاط (القنوات 1-4). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

تحليل تخطيط كهربائية القلب، فاصل QTc، تحليل ECG تحت جرعة الأميودارون، مخططات معدل ضربات القلب.
الشكل 3: تأثيرات التعرض الحاد للأميودارون (إشارات ECG). (A) بيانات ECG تمثيلية تم الحصول عليها من النظام وتغير بارامترات ECG بسبب تركيزات مختلفة من الأميودارون. (B) تغير في ECG نتيجة التعرض للأميودارون. (C) مخطط شريطي يوضح التفاوت في معدل ضربات القلب HR. (D) مخطط شريطي يوضح التفاوت في فاصل QTc في بيانات ECG مع تركيزات مختلفة من الأميودارون. *p<0.05 (تحليل التباين أحادي الاتجاه باختبار Tukey). توضح أشرطة الخطأ الانحراف المعياري. تم تعديل هذا الشكل من20. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

المناقشة

تم تعديل الخطوات الحالية وتحسينها وفقا لهذا الإصدار الجديد من الجهاز من دراسة سابقة أجراها فريقنا20. هنا ، يتم أيضا تضمين تصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) للجهاز.

كما هو موضح في دليل استكشاف الأخطاء وإصلاحها للبروتوكول ، يتطلب الجهاز من المستخدم تنفيذ بعض الخطوات الحاسمة بعناية ودقة ، حيث تؤثر هذه الخطوات بشكل حاسم على جودة إشارة تخطيط القلب. تمشيا مع نتائج دراستناالسابقة 20 ، يلعب وضع الأقطاب الكهربائية دورا مهما في الحصول على قراءات تخطيط القلب عالية الجودة والواضحة من عينات أسماك الزرد. نظرا لهذه الطريقة لتوسيع عدد الأقطاب الكهربائية العاملة من واحد إلى أربعة وإدخال درجات إضافية من الحرية ، فإنها تتطلب خطوات تكميلية لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها ووضع قطب كهربائي مكرر فوق المنطقة البطنية للأسماك للحصول على أفضل النتائج.

تكمن مزايا الجهاز وميزاته الجديدة في القياس الموسع للتجارب متعددة الخطوات ، والتي تقتصر على الدراسات التي تستغرق ساعة ، والفحص عالي الإنتاجية مع أسماك الزرد المتعددة (أربع دراسات متزامنة) ، وإعداد تجربة يمكن التحكم فيها بدرجة عالية ، وتسجيلات الفيزيولوجيا الكهربية الإضافية لكل عينة (حتى أربعة) والتحليلات الآلية المستندة إلى السحابة وتخزين البيانات. من هذا ، نود أن نؤكد أن القضية الرئيسية التي يتم تناولها هي الوقت اللازم لإجراء فحص الأدوية ودراسات القلب في أسماك الزرد ، حيث تتطلب الطرق التقليدية فحصا واحدا تلو الآخر وتجارب متعددة لجمع معلومات كافية22. يوفر هذا أيضا طريقة جديدة لاستخدام المصفوفات متعددة القنوات لتسجيل تخطيط القلب بطريقة أبسط مقارنة بتلك التي تستخدم مصفوفات الأقطاب الكهربائية الدقيقة (MEA) أو لوحات الدوائر المطبوعة المرنة (FPCB) 18 والتي تتطلب خطوات إضافية في تصنيع الأقطاب الكهربائية المذكورة بالإضافة إلى الإجراء اللازم لربطها بالأسماك مقارنة بالطريقة المقترحة التي تعتمد أيضا على ملامسة السطح ولكن بطريقة أقل توغلا.

لا تختلف قيود النظام عن تلك المعروضة في الطرق التقليدية19،20 ولكنها أقل كثافة حيث يتم استخدام مصفوفة متعددة القنوات لتقليل عدد تجارب التسجيل اللازمة للدراسة. تعتمد هذه القيود على تحديد موضع القطب ، حيث يوصى باتباع الموضع المقترح المقدم في الشكل 2 ب. يجب أيضا أن يكون واضحا أن المستخدم لا يمكنه توقع الحصول على تسجيلات مثالية خلال التجربة الأولى على القنوات الأربع لأن الاختلافات التشريحية للأسماك والمعالجة المسبقة للعينة (إزالة التحجيم ، وإجراءات الصندوق المفتوح ، وما إلى ذلك) ستؤثر بشكل مباشر على جودة ونجاح الاختبارات.

الإفصاحات

Hung Cao و Michael Lau هما مؤسسا Sensoriis، Inc. تم تطوير نظام Sensoriis Zebra II بدعم من المعاهد الوطنية للصحة ، #R44OD024874 منحة المرحلة الثانية من SBIR. قامت جامعة كاليفورنيا ، إيرفين ، بمراجعة ووافقت على علاقة Hung Cao مع Sensoris، Inc. وفقا لسياسات تضارب المصالح الخاصة بها. يعلن المؤلفون الآخرون عدم وجود تضارب في المصالح.

شكر وتقدير

نحن ممتنون للدعم المقدم من المرحلة الثانية من المعاهد الوطنية للصحة SBIR #R44OD024874 إلى HC و M.P.H.L. ويود أصحاب البلاغ أيضا أن يعرب عن تقديرهم للدعم المالي الذي قدمته المجلس الوطني للإنسانية والعلوم والتكنولوجيا في المكسيك من خلال الزمالة المعنونة Beca CONAHCYT Para Estudios de Doctorado en el Extranjero.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
أميودارون هيدروكلوريدسيجما ألدريتشPHR1164-1Gمسحوق أميودارون
منضدة الأس الهيدروجيني / مللي فولت مترسبير 10500308
إيثيل 3-أمينوبنزوات ، ملح حمض ميثان سولفونيك ، 98 ٪ ، أكروس عضويفيشر AC118002500 العلميمسحوق التريكايين
Isotemp الساخن صفيحة النمامفيشر SP88854200 العلمي
نظام Zebra IISensoriisN / Aنظام تسجيل ECG لأسماك الزرد التجارية
نظام تخطيط القلبiWorxZS-200نظام تسجيل تخطيط القلب لأسماك الزرد التجارية
العلمية

المراجع

  1. Tsao, C. W., et al. Heart disease and stroke statistics-2022 update: A report from the American heart association. Circulation. 145 (8), e153-e639 (2022).
  2. Zulkifly, H., Lip, G. Y. H., Lane, D. A. Epidemiology of atrial fibrillation. Int J Clin Pract. 72 (3), e13070(2018).
  3. Ferreira, C., Providência, R., Ferreira, M. J., Gonçalves, L. M. Atrial fibrillation and non-cardiovascular diseases: A systematic review. Arq Bras Cardiol. 105 (5), 519-526 (2015).
  4. Hu, Z., Ding, L., Yao, Y. Atrial fibrillation: mechanism and clinical management. Chin Med J. 136 (22), 2668-2676 (2023).
  5. Babapoor-Farrokhran, S., Rasekhi, R. T., Gill, D., Babapoor, S., Amanullah, A. Arrhythmia in COVID-19. SN Comp Clin Med. 2 (9), 1430-1435 (2020).
  6. Arnaout, R., et al. Zebrafish model for human long QT syndrome. Proc Natl Acad Sci. 104 (27), 11316-11321 (2007).
  7. Koopman, C. D., et al. The zebrafish grime mutant uncovers an evolutionarily conserved role for Tmem161b in the control of cardiac rhythm. Proc Natl Acad Sci. 118 (9), e2018220118(2021).
  8. Genge, C. E., et al. Reviews of Physiology, Biochemistry and Pharmacology. , Springer International Publishing. (2016).
  9. Nemtsas, P., Wettwer, E., Christ, T., Weidinger, G., Ravens, U. Adult zebrafish heart as a model for human heart? An electrophysiological study. J Mol Cell Cardiol. 48 (1), 161-171 (2010).
  10. Sun, P., et al. Micro-electrocardiograms to study post-ventricular amputation of Zebrafish heart. Ann Biomed Engg. 37 (5), 890-901 (2009).
  11. Lin, M. H., et al. Development of a rapid and economic in vivo electrocardiogram platform for cardiovascular drug assay and electrophysiology research in adult zebrafish. Sci Rep. 8 (1), 15986(2018).
  12. Chaudhari, G. H., Chennubhotla, K. S., Chatti, K., Kulkarni, P. Optimization of the adult zebrafish ECG method for assessment of drug-induced QTc prolongation. J Pharmacol Toxicol Methods. 67 (2), 115-120 (2013).
  13. Liu, C. C., Li, L., Lam, Y. W., Siu, C. W., Cheng, S. H. Improvement of surface ECG recording in adult zebrafish reveals that the value of this model exceeds our expectation. Sci Rep. 6, 25073(2016).
  14. Stoyek, M. R., Rog-Zielinska, E. A., Quinn, T. A. Age-associated changes in electrical function of the zebrafish heart. Prog Biophys Mol Biol. 138, 91-104 (2018).
  15. Cao, H., et al. Wearable multi-channel microelectrode membranes for elucidating electrophysiological phenotypes of injured myocardium. Integ Biol. 6 (8), 789-795 (2014).
  16. Lenning, M., et al. Real-time monitoring and analysis of zebrafish electrocardiogram with anomaly detection. Sensors. 18 (1), 61(2018).
  17. Yu, F., et al. Flexible microelectrode arrays to interface epicardial electrical signals with intracardial calcium transients in zebrafish hearts. Biomed Microdev. 14 (2), 357-366 (2012).
  18. Cho, S. J., et al. Zebrafish as an animal model in epilepsy studies with multichannel EEG recordings. Sci Rep. 7 (1), 3099(2017).
  19. Continuous electrocardiogram monitoring in Zebrafish with prolonged mild anesthesia. Le, T., et al. 42nd Ann Int Conf IEEE Engg Med Biol Soc, , 2610-2613 (2020).
  20. Le, T., et al. A novel wireless ECG system for prolonged monitoring of multiple zebrafish for heart disease and drug screening studies. Biosensors Bioelectron. 197, 113808(2022).
  21. Kouzehgar, K., Eslamian, S. Chapter 2 - Application of experimental data and soft computing techniques in determining the outflow and breach characteristics in embankments and landslide dams. Handbook Hydroinfo. 3, 11-31 (2023).
  22. Milan, D. J., Jones, I. L., Ellinor, P. T., MacRae, C. A. In vivo recording of adult zebrafish electrocardiogram and assessment of drug-induced QT prolongation. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 291 (1), H269-H273 (2006).

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

الفيزيولوجيا الكهربائية لسمك الزيبراالحصول على تخطيط كهربائية القلبتخطيط كهربائية القلب متعدد القنواتفحص العقاقيراعتلالات القلبالعلاج بالأميودارونمصفوفة أقطاب كهربائيةالتحليل الآلي لتخطيط كهربائية القلبأبحاث القلب والأوعية الدمويةالتطوير قبل السريري للعقاقير
الحمار الوحشي II كنظام جديد لتسجيل الإشارات الفيزيولوجية الكهربية في أسماك الزرد
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.