用于研究可兴奋细胞的反应 体外该方案描述了利用基因工程构建的tet-on放电型HEK细胞这一简单可兴奋细胞模型,通过光学监测电穿孔引起的动作电位生成变化,以及跨膜电压的变化,并实现相关参数的自动提取。
用于研究可兴奋细胞的反应 体外该方案描述了利用基因工程构建的tet-on放电型HEK细胞这一简单可兴奋细胞模型,通过光学监测电穿孔引起的动作电位生成变化,以及跨膜电压的变化,并实现相关参数的自动提取。
兴奋性细胞,例如 神经元和肌肉细胞可能成为基于电穿孔的快速新兴治疗技术的主要靶细胞。然而,即使在这些细胞并非主要靶点的治疗中,它们仍可能受到电脉冲的影响,从而引发不良副作用。因此,为了优化针对可兴奋与不可兴奋组织的电穿孔治疗,有必要研究电脉冲对可兴奋细胞、其离子通道及兴奋性的影响 体外为此,建立了一种光学监测方案,用于检测在基因工程构建的tet-on放电型HEK细胞这一简单可兴奋细胞模型中,因电穿孔引起动作电位生成变化的情况。通过使用一种荧光膜电位染料,在荧光显微镜下监测跨膜电压的变化,并利用MATLAB应用程序自动提取细胞反应的相关参数。由此,可研究不同电脉冲下可兴奋细胞的响应特性,以及兴奋性与电穿孔之间的相互作用 能够被高效地评估。
在电穿孔过程中,高电压电脉冲会导致细胞质膜对原本不易通透的分子的通透性增加1。基于电穿孔的技术目前已被广泛应用于医学2、生物技术3和食品技术4等领域。
兴奋性细胞,例如 神经元和肌肉细胞是心脏、大脑及骨骼肌中快速发展的基于电穿孔治疗技术的主要靶细胞5此外,即使在这些细胞并非主要靶点的治疗中,它们也可能受到电脉冲的影响,从而引发疼痛、肌肉抽搐和神经损伤等不良副作用6即,电脉冲可引起可兴奋细胞的电刺激:激活电压门控离子通道并触发动作电位(AP)。然而,在较高电场下,细胞的质膜会发生通透化,导致离子电流通过膜上的孔道或缺陷额外增加7这种额外的离子电流在兴奋与电穿孔之间的复杂相互作用中影响细胞的兴奋性。因此,为了优化基于电穿孔的可兴奋与不可兴奋组织的治疗,有必要研究电脉冲对可兴奋细胞、其离子通道及兴奋性的影响。 体外.
在最近的一项研究中8,我们探索了Cohen等人开发的基因工程人胚胎肾(HEK)细胞9,10,作为研究可兴奋细胞电穿孔的有力工具。在这些原本不具备兴奋性的细胞中,表达了实现兴奋性所需的最少数量的钠离子和钾离子通道(NaV1.5 和 Kir2.1)。这些细胞中 Kir2.1 的表达由多西环素诱导的 tet-on 系统控制,从而可建立两种细胞亚型:具有兴奋性并能产生动作电位的 S-HEK 细胞(含有 NaV1.5 和 Kir2.1),以及无兴奋性且不产生动作电位的 NS-HEK 细胞(仅含 NaV1.5 通道)。这使我们能够比较电脉冲对同种细胞的可兴奋与不可兴奋亚型所产生的影响。与分离的原代可兴奋细胞、由胚胎干细胞或诱导多能干细胞分化的可兴奋细胞,以及来源于可兴奋组织的细胞系相比,S-HEK 细胞具有多项优势:易于操作、培养和扩增,具有明确的钠离子和钾离子通道,并能产生稳定而显著的动作电位(AP)8。
我们设计了一种利用荧光膜电位染料监测不同强度电脉冲所引发的跨膜电压(TMV)变化的实验方案。通过该方法,可研究电穿孔对S-HEK细胞动作电位(AP)产生过程的影响,以及S-HEK和NS-HEK细胞中跨膜电压的其他变化。简言之,每隔2分钟对S-HEK或NS-HEK细胞施加一次持续100 µs的单次电脉冲,并在每次脉冲前后约3秒内记录荧光信号的相对变化。所施加的脉冲电压逐步升高,首先在细胞中诱发动作电位 ,随后在更高电场强度下引发电穿孔。两次脉冲之间设置2分钟的间隔,旨在尽量减少连续脉冲可能带来的累积效应,同时保证实验时长足够短,以避免细胞状态恶化。图像处理通过定制的MATLAB应用程序实现自动化,用于提取膜电位染料荧光响应的相关参数,从而评估S-HEK和NS-HEK 细胞中跨膜电压的变化(包括动作电位以及由电穿孔引起的持续去极化) 。
1. 试剂准备与细胞培养
2. 样品制备
3. 电刺激与电穿孔
4. 数据分析
可兴奋细胞中TMV的变化 体外 通过电脉冲刺激后,可利用本方案对荧光信号进行光学监测,并通过分析荧光信号以提取其相关参数。
实验装置如图1A所示。实验中使用的典型100 µs电脉冲信号如图1B所示。置于显微镜下观察室中的细胞通常呈现如图1C(明场图像)和图1D(荧光图像)所示的形态。我们进行一项实验,每隔2 min对同一组细胞施加一次电压逐渐升高的电脉冲。需要注意的是,2 min的脉冲间隔时间可能不足以使细胞膜完全重新封闭并恢复,尤其是在使用最高幅度脉冲时,该条件下电穿孔效应显著。因此,可能会出现脉冲的累积效应。为避免此类累积效应,可延长脉冲间延迟时间,但这会减少可测试的脉冲幅度数量,同时需避免细胞在显微镜下停留过久。
实验中采集荧光图像后,使用自定义的 MATLAB 应用程序进行分析。首先确定像素阈值(图 2A);通过调整低阈值,可清晰显示细胞周围膜结构(紫色),而通过调整高阈值,可去除碎片信号(绿色)。随后,该程序计算每次递送的连续脉冲对应的所有阈值像素的平均荧光强度,从而获得荧光相对变化 F/F0 的时间依赖性信号。通过减去对照组时间序列记录中未施加脉冲时 F 线性下降的斜率,对信号进行染料光漂白校正(图 2B)。校正信号后,以应用内表格和校正后荧光信号图的形式提取响应参数(图 2C)。在极少数情况下,算法可能未能检测到明显的峰值,或将伪噪声信号误判为阳性信号。针对这些情况,用户可手动选择荧光信号中的相应点作为峰值,或删除被错误检测的假峰值(图 2D——删除在施加电脉冲前异常检测到的小峰值)。
利用 MATLAB 应用程序,我们可以获得烟草花叶病毒(TMV)在可兴奋的 S-HEK 细胞(图 3A)和不可兴奋的 NS-HEK 细胞(图 3B)中对电脉冲响应的图像。提取的响应参数如下(表 1):峰的数量(NoPeaks)、平均峰间时间(当检测到多个峰时,MPPT)、最大响应(MR)、到达首个峰的时间(TtFP),以及从峰到达 25%、50%、75% 和 90% 恢复所需的时间(分别为 T25、T50、T75、T90)。这些参数可用于评估对不同电脉冲的响应(例如,确定不同电场强度 E 的电脉冲所触发的峰数量,图 3C),以及兴奋性与电穿孔之间的相互作用。

图1:实验装置、波形及S-HEK细胞。(A)显微镜载物台上腔室的图像。(B)本研究中所用脉冲波形示例(电压(U)随时间变化)。(C, D)S-HEK细胞图像((C):明场,(D):荧光),比例尺:100 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:数据分析应用。(A)应用程序界面图像——阈值设定。(B)原始与校正后荧光变化信号的图谱。(C)应用程序界面图像——提取的数据。(D)峰检测的手动校正(去除电脉冲施加前异常检测到的小峰,以红色箭头标示)。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:代表性结果。(A, B)使用不同幅度的100 µs电脉冲在(A)可兴奋的S-HEK细胞和(B)不可兴奋的NS-HEK细胞中触发TMV变化,结果来自代表性实验。为清晰起见,仅显示对施加脉冲序列中选定脉冲的响应。(C)由不同幅度的100 µs脉冲触发的TMV响应参数:示例显示峰值数量。结果以平均值±标准误表示,实验次数:N = 13。请点击此处查看该图的放大版本。
| 序号 | 电场强度 (V/cm) | 峰数量 (-) | 最大功率点跟踪时间 (ms) | 归一化电阻 (-) | 达到最终电位时间 (ms) | 25% 上升时间 (ms) | 50% 上升时间 (ms) | 75% 上升时间 (ms) | 90% 上升时间 (ms) |
| 1 | 0 | ||||||||
| 2 | 126 | 9 | 224 | 0.104 | 360 | 72 | 108 | 144 | 180 |
| 3 | 150 | 6 | 354 | 0.097 | 108 | 72 | 108 | 144 | 180 |
| 4 | 176 | 2 | 144 | 0.089 | 36 | 72 | 108 | 144 | 180 |
| 5 | 200 | 1 | 0.075 | 0 | 108 | 144 | 180 | 252 | |
| 6 | 250 | 2 | 396 | 0.064 | 0 | 108 | 216 | 432 | 2052 |
| 7 | 300 | 1 | 0.059 | 0 | 180 | 1188 | 2448 | ||
| 8 | 350 | 1 | 0.053 | 0 | 1008 | 2340 | |||
| 9 | 400 | 1 | 0.047 | 0 | 1512 |
表1:由不同幅度的100 µs脉冲触发的烟草花叶病毒(TMV)反应参数。
S-HEK 细胞是一种具有明确钠离子通道 NaV1.5 和钾离子通道 Kir2.1 的简单可兴奋细胞模型9。这使我们能够深入研究可兴奋细胞对施加电脉冲的响应,并将实验数据与基于 S-HEK 细胞中表达通道的已知理论特性所建立的数学模型相联系。在我们之前的研究中8,我们从实验和理论两方面描述了这些细胞对持续时间为 100 µs、电场强度 E 逐渐增加的电脉冲的响应。在较低 E 条件下,S-HEK 细胞产生单个或多个动作电位;而在较高 E 条件下,动作电位持续时间延长,并转变为持续性去极化。由于这种持续性去极化在这些细胞的非兴奋性版本(NS-HEK)中也明显可见,因此被认为归因于电穿孔及其相关的非选择性离子电流增加。
使用荧光电位染料被证明是研究可兴奋细胞动作电位和电穿孔的一种非常有效的方法。与传统的电生理学方法(如膜片钳技术)相比,光学测量更加方便、节省时间,且不需要特殊的技术技能。此外,使用高压电脉冲不会干扰测量过程,而这一点在膜片钳测量中可能成为问题12。然而,该实验方案的主要缺点与染料本身的性质有关。由于染料会发生光漂白,所捕获的荧光信号需要进行校正。染料会自发扩散进入细胞,因此来自细胞膜的信号随时间逐渐减弱。基于这一原因,该染料适用于监测动作电位及其他跨膜电位的短期变化(在本实验中约为3秒)。由于该染料支持比率成像13,此类成像可避免部分染料扩散带来的问题,但代价是成像速度降低。在本实验配置下,比率成像速度过慢,无法准确捕捉动作电位的波形。此外,所测得的染料荧光变化仅能提供关于跨膜电位变化的定性信息;尽管如此,该染料可通过校准实现定量测量。
使用定制的 MATLAB 应用程序进行自动图像分析,使我们能够在短时间内分析大量数据,并高效提取烟草花叶病毒(TMV)响应的有价值特征。该应用程序被配置为捕获视野中所有细胞膜的荧光信号。这种方法提高了信噪比,但代价是丢失了关于 TMV 在单个细胞水平上变化的信息。 此外,相邻细胞的细胞膜难以区分。然而,HEK 细胞内源性表达间隙连接,使其在电学上相互连接。如先前研究中提出的数学模型所示8,由于细胞之间的电连接,视野内的细胞彼此足够接近,能够同时触发动作电位(AP)。此外,动作电位沿细胞单层以高速传播(根据 5 倍物镜放大率成像估算,速度约为 34 mm/s)8,9。考虑到视野的边长(约 0.33 mm),动作电位通过该距离所需时间约为 10 ms,短于我们的图像采集周期。因此,使用当前的放大倍数和记录速度无法观察到动作电位的传播效应。尽管如此,动作电位从电极传播到视野仍可能导致施加脉冲与捕获到的动作电位之间存在延迟8。
在先前的研究8以及本出版物中,描述了持续时间为100 µs的脉冲对兴奋性与电穿孔之间相互作用的影响。然而,本方案可进行调整,用于研究具有其他参数(如不同持续时间、电压、数量、重复频率或波形)的电脉冲,或用于其他可兴奋细胞。
作者声明不存在利益冲突。
本工作由斯洛文尼亚研究与创新署(ARIS)在研究项目 P2-0249、基础设施项目 I0-0022 以及研究项目 J2-2503 框架下提供支持。部分工作由 ARIS 和卢布尔雅那大学通过初创研究项目资助提供支持。部分工作由欧洲联盟和 ARIS 通过 NextGenerationEU 及 NOO 资助,在项目 MN-0023 框架下提供支持。部分工作由欧洲联盟通过欧洲研究理事会(ERC)启动资助(编号 101115323 - REINCARNATION)和玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里学者项目(编号 893077 - EPmIC)提供支持。然而,所表达的观点和意见仅为作者(们)的观点,不一定反映欧洲联盟或欧洲研究理事会的立场。欧洲联盟或资助机构均不对这些观点承担责任。作者感谢哈佛大学 Adam E. Cohen 团队慷慨提供 tet-on 可兴奋 HEK 细胞,以及 Duša Hodžić 在细胞培养实验室中的帮助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 离心管 | Ratiolab | 5615000 | |
| 2孔Nunc Lab-Tek II腔室载玻片系统,#1.5盖玻片,德国产 | 赛默飞世尔科技 | 155379 | |
| ADP305 差分电压探头 | Teledyne LeCroy | ||
| AP015 电流探头 | Teledyne LeCroy | ||
| 杀稻瘟菌素 | 赛默飞世尔科技 | A1113903 | |
| CO2培养箱 | PHCbi | MCO-230AICUV | |
| 多西环素 | Sigma-Aldrich/Merck | D9891 | |
| 杜尔贝科’s 改良伊格尔’高糖生长培养基 | Sigma-Aldrich/Merck | D5671 | |
| ElectroFluor630 (Di-4-ANEQ(F)PTEA) | 电位探针 | 31795 | |
| 胎牛血清 | Sigma-Aldrich/Merck | F2442 | |
| 遗传霉素 | 赛默飞世尔科技 | 10131035 | |
| 谷氨酰胺 | Sigma-Aldrich/Merck | G7513 | |
| 层流罩 | Iskra Pio | MC 15-2 | |
| MATLAB | Mathworks | ||
| 青霉素–链霉素 | Sigma-Aldrich/Merck | P07681 | |
| 聚-L-赖氨酸氢溴酸盐 | Sigma-Aldrich/Merck | P9155-5MG | |
| 脉冲发生器 | 定制 | 参见参考文献11 | |
| 嘌呤霉素 | 赛默飞世尔科技 | A1113803 | |
| T25 25 cm²² 组织培养瓶 | TPP | 90026 | |
| Tet-on 诱导型HEK细胞脉冲式表达 | 美国典型培养物保藏中心 ATCC | CRL-3479 | |
| Thunder Imager Live Cell 系统用于荧光显微镜观察 | Leica Microsystems | ||
| 胰蛋白酶-EDTA 溶液 | Sigma-Aldrich/Merck | T3924 | |
| WavePro 7300A 示波器 | Teledyne LeCroy |