本方案描述了如何使用近期开发的用于标准体外电生理学设备的系统,开展自动图像引导的膜片钳实验。
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本方案描述了如何使用近期开发的用于标准体外电生理学设备的系统,开展自动图像引导的膜片钳实验。
全细胞膜片钳是测量单个细胞电学特性的金标准方法。然而,该方法 体外 由于操作复杂且高度依赖用户操作与控制,膜片钳技术仍是一项具有挑战性且通量较低的技术。本文展示了一种用于图像引导的自动膜片钳系统 体外 急性脑片中的全细胞膜片钳实验。我们的系统采用基于计算机视觉的算法,用于检测荧光标记的细胞,并通过显微操作器和移液管内压控制,实现对目标细胞的全自动膜片钳操作。整个过程高度自动化,几乎无需人工干预。实验中的实时信息,包括电学阻抗和移液管内压,均以电子方式记录,便于后续分析以及针对不同细胞类型的优化。尽管本系统以急性脑片记录为描述背景,但也可应用于解离神经元、器官型脑片培养以及其他非神经元细胞类型的自动图像引导膜片钳实验。
膜片钳技术最初由 Neher 和 Sakmann 在 20 世纪 70 年代开发,用于研究可兴奋膜的离子通道1自那时以来,膜片钳技术已被应用于细胞、突触和环路水平上多种不同研究领域的研究——两者均 体外 和 体内—在多种不同细胞类型中,包括神经元、心肌细胞、非洲爪蟾卵母细胞以及人工脂质体2该过程包括准确识别和定位目标细胞,通过精细的显微操作器控制将膜片电极移至细胞附近,在适当时机对电极施加正压和负压以形成紧密的千兆欧姆封接(gigaseal),并进一步破膜以建立全细胞记录构型。膜片钳技术通常以手动方式进行,需要经过长期训练才能掌握。即使对于经验丰富的研究人员,其实验成功率仍然相对较低。近年来,已有多种尝试致力于实现膜片钳实验的自动化。目前发展出两种主要的自动化策略:一是在标准膜片钳设备基础上进行改进,实现对封接过程的自动控制;二是从零开始设计全新的设备与技术。前一种策略可适配现有硬件,适用于多种膜片钳应用,包括 体内 盲法膜片钳3,4,5, 体外 急性脑片、器官型脑片培养及离体培养神经元的膜片钳记录6它能够通过同时使用多个显微操作器来探究复杂的局部神经环路7平面膜片钳技术是这一新开发策略的范例,可用于对悬浮细胞进行高通量同步膜片钳记录,适用于药物筛选。8然而,平面膜片钳技术并不适用于所有类型的细胞,特别是具有长突起的神经元或包含广泛连接的完整神经环路。这限制了该技术在神经系统复杂环路定位研究中的应用,而后者正是传统膜片钳技术的主要优势所在。
我们开发了一套可自动完成人工膜片钳操作的系统 体外 通过扩展标准膜片钳硬件实现。我们的系统Autopatcher IG可提供自动移液管校准、荧光标记细胞靶点识别、移液管运动的自动控制、全自动全细胞膜片钳记录以及数据日志功能。该系统能够自动获取脑切片在不同深度下的多幅图像,利用计算机视觉技术对其进行分析,并提取包括荧光标记细胞坐标在内的相关信息。这些信息可用于定位目标细胞并自动进行膜片钳操作。该软件采用Python语言编写——一种免费的开源编程语言,并使用了多个开源库,从而确保其他研究人员可便捷地获取和使用,提升电生理实验的可重复性与严谨性。该系统采用模块化设计,可轻松集成额外的硬件设备,以适配本文所展示系统的现有架构。
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1. 系统设置
2. 自动化膜片钳实验步骤
3. 进行记录
注意:一旦形成成功的封接,自动膜片钳软件将自动把计算机控制的微电极放大器的模式设置为电流钳("IC")。全细胞膜片钳记录可使用任意选定的记录软件进行(本系统不包含记录功能)。若已识别出多个目标细胞,在完成一次记录后,返回步骤 2.4,尝试另一个细胞。
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我们的系统已测试用于急性脑切片、小鼠诱导性多能干细胞(iPSCs)分化而来的神经元以及人工表达特定通道的HEK 293细胞的膜片钳记录。图3展示了一项使用Thy1-ChR2-YFP转基因小鼠(B6.Cg-Tg(Thy1-COP4/EYFP)18Gfng/J)的实验,该小鼠的视觉皮层第5层锥体神经元被荧光标记。目标细胞是自动识别出的绿色荧光阳性细胞之一(图3b)。图3a为记录到的神经元的微分干涉差(DIC)图像。全细胞构型通过自动膜片钳方案的步骤2.5至2.6建立,并通过阶跃电流注入诱发的动作电位进行验证(图3c)。
为了演示“命令序列”(Command Sequence)功能,我们在对脑片细胞进行膜片钳记录的同时,使...
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此处,我们介绍一种用于自动图像引导的膜片钳记录方法 体外该过程的关键步骤总结如下。首先,利用显微镜获取的一系列图像,通过计算机视觉技术自动识别移液管尖端。然后利用该信息计算显微镜坐标系与操纵器坐标系之间的坐标变换函数。通过计算机视觉自动检测荧光标记的细胞并确定其坐标。上述步骤结合移液管定位和自动封接算法,使用开源的 Python 编程语言以及 PyQT 和 OpenCV 库实现集成。
与现有方法相比 体外 膜片钳技术,该系统在多个方面实现了显著改进。它最大限度地减少了人为干预。该系统自动化了膜片钳实验中的大部分步骤,从而大幅降低了对人工操作的需求。部分尚需手动完成的步骤,例如在低倍与高倍显微镜物镜之间切换,可通过增加电动化硬件实现自动化。
膜片钳技术提高了通量。使用该系统进行的膜片钳实验获得了更高的成功率和更短的单次实验时间,从而显著提升了整体通量。用于荧光细胞检测和移液管尖端检测的计算机视觉算法非常稳健,错误率极低。移液管尖端检测的平均误差为1.6 µm,荧光细胞检测的假阳性率为4.9% ...
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一项非临时专利申请"用于体外自动图像引导膜片钳电生理学的系统与方法",美国序列号:15/353,719,于2016年11月16日提交,参考编号:PRF 67270-02。
我们感谢怀特霍尔基金会提供的经费支持。感谢 Samuel T. Kissinger 提出的宝贵意见。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| CCD相机 | QImaging | Rolera Bolt | |
| 电生理记录系统 | Scientifica | SliceScope Pro 2000 | 包含显微镜和操纵器。本文中演示的由制造商提供的操纵器控制软件为“Linlab2”。 |
| 放大器 | Molecular Devices | MultiClamp 700B | 计算机控制的微电极放大器 |
| 数模转换器 | Molecular Devices | Axon Digidata 1550 | |
| LED光源 | Cool LED | pE-100 | 波长488 nm |
| 数据采集板 | Measurement Computing | USB1208-FS | 辅助DAQ。 使用手册地址:http://www.mccdaq.com/pdfs/manuals/USB-1208FS.pdf |
| 电磁阀 | The Lee Co. | LHDA0531115H | |
| 气泵 | Virtual industry | VMP1625MX-12-90-CH | |
| 气压传感器 | Freescale semiconductor | MPXV7025G | |
| 脑片固定装置 | Warner instruments | 64-1415 (SHD-40/2) | RC-40灌流 chamber 配套的2.0 mm、19.7 mm平头脑片锚定套件 |
| Python | Anaconda | 版本 2.7(适用于Windows的32位) | https://www.continuum.io/downloads |
| 螺丝端子 | Sparkfun | PRT - 08084 | 3.5 mm间距螺丝端子(2针) |
| (2针) | |||
| N沟道MOSFET 60 V 30 A | Sparkfun | COM - 10213 | |
| DIP插座焊尾式 - 8针 | Sparkfun | PRT-07937 | |
| LED - 基础红色 5 mm | Sparkfun | COM-09590 | |
| LED - 基础绿色 5mm | Sparkfun | COM-09592 | |
| DC桶形电源插座/连接器(SMD) | Sparkfun | PRT-12748 | |
| 壁式交流适配器电源 - 12 V直流 600 mA | Sparkfun | TOL-09442 | |
| 导线 - 混合套装(实心芯,22 AWG) | Sparkfun | PRT-11367 | |
| 带锁三通阀(公头x母头x母头) | ARK-PLAS | RCX10-GP0 | |
| Fisherbrand Tygon S3 E-3603 柔性管路 | Fisher scientific | 14-171-129 | 外径:1/8 英寸 内径:1/16 英寸 |
| BNC公头转BNC公头同轴电缆 | Belkin Components | F3K101-06-E | |
| 560 欧姆电阻(5%容差) | Radioshack | 2711116 | |
| Picospritzer | General Valve | Picospritzer II |
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