酶法微电极生物传感器能够实时检测生物相关浓度下的细胞外信号分子。以下方案将生物传感器的应用扩展到肾脏中三磷酸腺苷(ATP)和过氧化氢(H2O2)的离体(ex vivo)和在体(in vivo)检测。
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酶法微电极生物传感器能够实时检测生物相关浓度下的细胞外信号分子。以下方案将生物传感器的应用扩展到肾脏中三磷酸腺苷(ATP)和过氧化氢(H2O2)的离体(ex vivo)和在体(in vivo)检测。
酶促微电极生物传感器已被广泛用于实时测量细胞外信号。其应用大多局限于脑切片和神经元细胞培养。最近,该技术已拓展至完整器官。传感器设计方面的进步使得 尽可能地进行测量 血液灌流中的细胞信号传导 体内 肾脏。本方案列出了测量ATP和H2O2 大鼠肾间质中的信号传导。采用两种不同的传感器设计用于 离体 和 体内 方案。两种类型的传感器 涂覆有 在选择性渗透层上方构建一层薄薄的酶促生物层,以实现快速响应、高灵敏度和高选择性的生物传感器。选择性渗透游戏副本层可保护信号免受生物组织中干扰物质的影响,而酶促层则利用 在ATP存在下,甘油激酶与甘油-3-磷酸氧化酶依次催化的反应生成H2O2. 用于该实验的一组传感器 离体 研究进一步通过氧化 H 检测分析物2O2 在铂/铱(Pt-Ir)丝电极上。用于 体内 研究则基于H的还原反应2O2 在专为血液灌注组织设计的介质包被金电极上。终浓度 变化 通过实时安培法检测,并通过已知分析物浓度进行校准。此外,可通过添加分解H₂O₂的酶(如过氧化氢酶)和分解ATP的酶(如apyrase)来验证安培信号的特异性。2O2 以及相应的ATP。这些传感器在每次实验前后都高度依赖精确的校准。以下两个方案建立了实时检测ATP和H2O2 在肾脏组织中,并可进一步改进以将所述方法扩展应用于其他生物样本或完整器官。
酶促微电极生物传感器(本文中也简称为传感器)已成为研究活细胞和组织中动态信号过程的有力工具。这些传感器能够以生物学相关的浓度水平,提高对细胞信号分子在时间和空间上的分辨率。与在较长时间内分时段采集并分析细胞外液样本的传统方法不同,这些传感器的响应速度与其酶对分析物的反应速度相当,从而实现对目标物质的实时检测1,2。快速检测自分泌和旁分泌因子(如嘌呤或过氧化氢)在组织间隙中的浓度及其释放动力学,可用于建立药物在正常和病理条件下作用效应的特征谱型3。目前,传感器的应用主要集中在脑组织切片和细胞培养体系中4-10。本文详述的实验方案旨在建立在完整肾脏中准确测定分析物实时浓度的方法。
以下方案旨在研究间质ATP和H2O2 肾脏中的信号传导。在肾脏的天然环境中,细胞外ATP会通过内源性外核苷酸酶迅速降解为其衍生产物(ADP、AMP和腺苷)。此处使用的传感器对ATP具有高度选择性,可区分其他嘌呤类物质或ATP的降解产物。11这具有显著优势,因为它能够准确监测ATP释放的恒定和动态浓度及其信号功能。通过结合使用两种微电极——ATP传感器和零位传感器(Null sensor)——来测定间质ATP浓度。其中,零位传感器用于 与……联用 过氧化氢酶应用能够检测间质H2O2 浓度12以下方案使用两种不同设计的传感器,其特性分别对以下方面达到最优 离体 或 体内 应用。
两种设计均基于传感器酶层中甘油激酶和甘油-3-磷酸氧化酶的顺序催化反应,且 由ATP的存在驱动。在所使用的传感器组中 离体 研究,H2O2,通过检测最终的酶促反应产物 铂/铱(Pt-Ir)丝电极上的氧化反应。用于 体内 研究则基于 H2O2 在专为血液灌注组织设计的介体涂层金电极上的还原反应。如图所示 图1 是本手稿中所述两种方案的示意图。Null传感器与其对应的ATP传感器完全相同,唯独缺少结合的酶。因此,除了可检测H2O2 通过过氧化氢酶,Null传感器可检测非特异性干扰。ATP浓度通过减去Null传感器检测到的非特异性干扰和背景H2O2 来自ATP传感器信号。目前市面上还可提供多种商用传感器,用于检测其他分析物,包括腺苷、肌苷、次黄嘌呤、乙酰胆碱、胆碱、谷氨酸、葡萄糖、乳酸和D-丝氨酸。 离体 腺苷、肌苷和次黄嘌呤的应用 体内 与相应的Null传感器配对时。
传感器准确检测分析物的能力 取决于正确的使用前和使用后校准13。这可确保分析过程中考虑到传感器在生物组织中使用时灵敏度发生的漂移。传感器内部含有甘油储存库,该储存库作为传感器酶促反应中的试剂使用。如果传感器未在含有甘油的浴液中使用,甘油会随时间逐渐流失,因此需要缩短记录时间以尽量减少传感器的漂移。此外,内源性蛋白酶和蛋白质片段对传感器的污染会显著降低其灵敏度14。
本论文建立了使用酶促微电极生物传感器的方法 离体 和 体内 肾脏样本制备。实时分析物定量可提供前所未有的细胞信号传导细节,有助于揭示肾脏疾病机制及药理学药物作用的新见解。
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以下动物 实验操作 遵循美国国立卫生研究院(NIH)《实验动物的护理和使用指南》。实验前已获得机构动物护理和使用委员会(IACUC)的批准。
注意:在实验设计阶段以及使用传感器之前,应仔细查阅传感器制造商的使用说明 。遵循这些说明可确保传感器使用时获得最佳结果 。
1. 传感器校准
2. 用于传感器研究的动物手术
3. 数据采集设置
4. 数据分析
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酶促微电极生物传感器的设计可实现对完整肾脏中分析物的实时检测. 任一实验的总体设计 离体 或 体内 研究中的应用如图所示 图1所使用的传感器和手术步骤取决于研究的具体情况 离体 或 体内.
为获得可重复的结果,准确的实验前和实验后校准至关重要。 图6A 显示了从信号中观察到的代表性轨迹 离体 ATP传感器在校准过程中的表现。注意,apyrase迅速消除了ATP信号。过氧化氢酶对ATP信号无影响,表明其对H2O2 它产生(图6B)。校准程序产生一个线性拟合,用于计算ATP的动态变化(图6A,右侧面板). 在体 传感器校准产生的轨迹与……的轨迹相似 离体 传感器。然而,该传感器检测的是还原电流而非氧化电流,因此产生的电流为负值。这些传感器的校准在0.3至 80 µM ...
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本方案旨在提高对ATP和H的时空分辨率2O2 信号传导用于 离体 分离、灌注并 体内 灌注血液的肾脏。本研究所采用的不同实验方案与传感器之间的差异,可为药理学或生理学研究提供最佳的数据采集效果。这些方案包括:1)传感器校准,2)手术操作,3)数据采集设置,以及4)数据分析。它们能够实现对多种实验条件下分析物的实时测量,从而有助于深入理解肾脏疾病,并推动更有效的药理治疗策略的开发。本文中,我们使用传感器分析了ATP和H2O2。然而,也可使用针对其他物质的传感器。本文所述方案已用于研究ATP和H2O2 在大鼠肾脏中,但该方法可轻松调整后应用于小鼠。鉴于存在大量遗传学啮齿类动物模型,该方法具有广阔的应用前景。
酶促微电极生物传感器的基本设计由 Clark 和 Lyons 于 20 世纪 60 年代提出2。在生物传感器初步发展之后,其设计17-19和应用20均...
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本手稿视频录制所用传感器由英国考文垂Sarissa Biomedical Limited公司提供。
感谢Sarissa Biomedical在开发本论文所用传感器方面所做的工作。本研究得到了美国国立心肺血液研究所基金HL108880(A. Staruschenko)、 HL116264(A. Cowley)和HL122662(A. Staruschenko和A. Cowley)、 由威斯康星医学院研究事务委员会资助的项目#9306830(O. Palygin)以及 Advancing a Healthier Wisconsin研究与教育项目 #9520217的支持,同时也获得了美国肾脏基金会青年研究者奖(O. Palygin)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 传感器套件 | Sarissa Biomedical | SBK-ATP-05-125 | 该套件包含储存瓶、再水合室、电极导线和参比电极。 套件还包含用户自选的传感器。 |
| Sarissaprobe ATP 生物传感器 125 μm | Sarissa Biomedical | SBS-ATP-05-125 | 使用前于 2–8 oC 保存 |
| Sarissagold ATP 生物传感器 50 μm | Sarissa Biomedical | SGS-ATP-10-50 | 使用前于 2–8 oC 保存 |
| Sarissaprobe 空白传感器 125 μm | Sarissa Biomedical | SBS-NUL-20-125 | 使用前于 2–8 oC 保存 |
| Sarissagold 空白传感器 50 μm | Sarissa Biomedical | SGS-NUL-10-50 | 使用前于 2–8 oC 保存 |
| Sarissaprobe ATP 使用手册 | Sarissa Biomedical | http://www.sarissa-biomedical.com/media/31563/instructions-atp.pdf | |
| 法拉第屏蔽笼 | TMC | ||
| 双通道恒电位仪 | Digi-Ivy | DY2021 | II 型法拉第屏蔽笼 |
| 数据采集程序 | Digi-Ivy | DY2000 | |
| 灌流泵 | Razel Scientific Instruments | Model R99E | |
| 光纤照明器 | Schott | ACE 1 | |
| 显微操作器 | Narishige | MM-3 | |
| 显微操作器磁性支架 | Narishige | GJ-8 | |
| 防震台 | TMC | 63-500 | |
| 异氟烷呼吸机 | LEI Medical | M2000 | |
| 3 ml 培养皿 | Fisher Scientific | S3358OA | |
| 针头 | Santa Cruz | 26–30 G | |
| 固定针 | 标准解剖固定针 | ||
| 导管 | 聚乙烯管(PE50) | ||
| 导管组织胶 | Vetbond | 1469SB | |
| 缝合线 | Look | SP117 | |
| 橡胶圈 | 任意宽度为 2–4 mm 的橡胶圈 | ||
| 硅胶 | Momentive | RTV-615 Clear 1# | |
| 夹具 | Fine Science Tools | 18052-03 | |
| 标准解剖工具包 | 套件应包含手术刀和解剖剪 | ||
| 肾杯 | 自行设计 | ||
| 标准化学试剂 | Sigma-Aldrich | ||
| ATP | Sigma-Aldrich | A6559-25UMO | 100 mM ATP 溶液 |
| 过氧化氢 | Sigma-Aldrich | 216763 | |
| 甘油 | Sigma-Aldrich | G9012 | |
| 腺苷三磷酸酶(Apyrase) | Sigma-Aldrich | A7646 | |
| 过氧化氢酶(Catalase) | Sigma-Aldrich | C40 | |
| 异氟烷 | Clipper | 10250 | |
| 戊巴比妥(inactin) | Sigma-Aldrich | T133 | |
| 氯胺酮(ketamine) | Clipper | 2010012 | |
| Hanks 平衡盐溶液 | Gibco | 14025092 |
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