微电极阵列记录中天节点发射率，以识别小鼠内在心脏起搏缺陷
July 5th, 2021
该协议旨在描述一种新的方法，测量内在心脏发射率使用微电极阵列记录整个中天节点组织，以确定小鼠的制动缺陷。药理制剂也可以在这种方法中引入，以研究它们对内在起搏的影响。
测量内在心率是心脏健康的重要指标。该技术准确测量了该速率，同时排除了对中天节点的大部分混淆影响。MEA 记录内在心率可捕获与单细胞记录类似的准确发射速率数据，无需进行广泛的电生理学培训。
使用这种技术的个人可能很难在早期实验中获得健康的组织制剂，因此在开始实际数据收集之前，请进行解剖并优化缓冲和数据收集设置。演示这个程序的将是医生曼思和普拉文库马尔，博士后研究人员在我的实验室。首先用血量计固定安乐死小鼠的皮肤，并使用手术剪刀在肋骨底部的皮肤上进行横切，从左拱门到右拱门。
使用手术剪刀切开腹膜，小心地将肝脏从隔膜中分离，而不会划破肝脏以防止过度出血。将胸腔的隔膜化为胸腔。使用手术剪刀将肋骨的横壁从成本拱门边缘切至锁骨以暴露心脏，然后使用 23 量表注射器针将肋骨固定在肩部。
使用转移移液器将温暖的肝素化完全 Tyrode 的解决方案滴在心脏上，使其保持湿润。用额外的细格雷夫钳子握住肺部，用手术剪刀切开气管以切除肺部。要切除心脏，用额外的细格雷夫钳子保持心脏的顶点，用手术剪刀切开主动脉和劣质静脉卡瓦。
将心脏转移到含有腌制硅胶弹性体的培养皿中，并使用转移移液器为心脏沐浴两到三毫升的温肝素化完整的Tyrode溶液。用解剖针将心脏的顶点连接到盘子上。拿着低劣的维纳卡瓦与杜蒙 2 层切除术钳。
插入一个22仪表注射器针通过低劣和优越的静脉腔定位其位置在右中庭，这也确定了约似位置的中庭节点。用Dumont 2层压切钳握住右心房附属物，并通过右心房附属物放置解剖针，使其就位。重复相同的程序为左心房附属物，然后删除注射针跨越静脉腔。
使用 Castroviejo 剪刀去除心脏的顶点，在心室进行横切切，以释放心脏的血液，然后通过添加温暖的肝素化完整 Tyrode 溶液来洗净心脏。使用卡斯特罗维耶霍剪刀沿着腹腔隔膜切割，直到腹腔与心室分离，使切口靠近心室。沿着动脉间隔膜切开，以去除左中庭。
将解剖销放在右中庭的外围，使其平放。使用卡斯特罗维耶霍剪刀从中庭取出剩余的脂肪、血管或组织，并将中庭节点定位在右中庭。将 Tyrode 的解决方案添加到输入解决方案模型中，并打开卡博根气体的流动，为 Tyrode 的解决方案提供氧气。
将渗透泵设置为 25 RPM，使流量为每分钟 2 毫升。启动泵后，确保缓冲器不会从系统泄漏，并将温度控制器设置为 37 摄氏度。使用 Dumont 55 钳将解剖的组织从解剖的 Petri 盘转移到微电极阵列网格上。
用柔软的画笔轻轻放置组织，覆盖电极网格的中天节点区域。然后使用骨钳或任何弯曲的钳子将网格放在组织上。使用骨钳，将竖琴锚固定在网格上，将一切固定到位。
将微电极阵列盘排列在连接器板上。小心地将灌注帽放在微电极阵列盘上，而不会干扰竖琴切片锚，并用胶带固定灌注间隙。打开放大器，为软件中的录制设置工作流程。
选择beat_recording。莫弗洛模板。打开它，根据所需的记录条件设置跟踪数、跟踪持续时间、跟踪间隔、输入电压、采样速率和其他记录参数。
单击记录并播放按钮以开始录制并获取 10 个 1 分钟持续时间的痕迹，并在跟踪之间间隔两分钟获取数据。暂停泵并切换泵流入管从正常的记录解决方案到Tyrode的解决方案，其中包含所需的药物的选择。重新启动泵并恢复录制。
一旦药物注入的Tyrode的溶液到达组织，记录10个痕迹的方式与之前的基线记录相同。拍摄组织在微电极阵列上的定位的最终图像。打开分析软件节拍频率分析模板中保存的记录数据文件。
单击播放并允许整个录制运行数据可视化，然后分配适当的分析参数。选择要包含在分析中的通道，并设置自动波形峰值识别所需的振幅最大值或振幅最小阈值值。再次单击播放图标以重播数据集，并确认分析参数适合峰值提取。
为了进行分析，确定在实验基线期间，在大多数通道中每个微量显示稳定跳动率的三个最稳定的连续痕迹，以及药物暴露期间连续三个稳定的痕迹。单击播放并录制图标以开始分析。这些数据是从一只45天大的雄性野生型黑色瑞士小鼠身上收集的，用于中天节点节拍频率测量。
在不同的通道中观察到形状和振幅不同的波形，所有通道都显示相同的中间间隔和发射频率。然而，组织与电极接触的程度也可能影响波形特征，如振幅。从10个记录的痕迹中，选择了三个连续的通道，具有稳定的节拍频率和间歇间隔作进一步分析。
坏的提取尖峰模式应该不存在，但如果存在受噪音或不稳定的影响。与单个心跳相对应的波形反映了内在心脏起搏活动。微电极阵列系统便于药物制剂的应用，分析药理作用。
在抽样数据中，所有64个通道中所选三个痕迹的内在发射速率约为每分钟320次。引入4-阿米诺皮里米丁增加了中间的间隔，如预期的那样，这减少了节拍频率从320到210节拍每分钟。要收集可靠的数据进行分析，重要的是要通过验证痕迹是否稳定并符合标准标准来确认组织在记录过程中是否健康。
MEA 可用于记录心脏其他区域的心脏活动，允许详细的区域特定特征，可用于研究遗传和药理操作的影响。
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概述
本协议描述了一种使用小鼠窦房结组织的微电极阵列记录来测量内在心脏起搏率的方法。该技术允许识别起搏缺陷并引入药理学药剂以研究其效果。
关键研究组成部分
科学领域
- 心脏电生理学
- 微电极阵列技术
- 药理学分析
背景
- 内在心率是心脏健康的关键指标。
- 准确测量起搏率对于理解窦房结功能至关重要。
- 传统方法可能需要广泛的电生理学培训。
- 健康组织制备对于可靠的数据收集至关重要。
研究目的
- 开发一种可靠的测量内在心脏起搏率的方法。
- 在小鼠模型中识别起搏缺陷。
- 评估药理学药剂对内在起搏的影响。
使用的方法
- 窦房结组织的微电极阵列记录。
- 解剖麻醉小鼠以获得组织样本。
- 缓冲液和数据收集设置的优化。
- 组织制备手术技术培训。
主要结果
- 该技术提供与单细胞记录相当的准确起搏率数据。
- 初步实验可能需要练习以获得健康的组织制备。
- 可以有效引入药理学药剂来研究其效果。
- 经验丰富的研究人员演示该程序可提高可靠性。
结论
- 该方法为研究心脏起搏提供了一种稳健的方法。
- 它促进了对内在心脏机制和药理学效应的探索。
- 未来的研究可以在此技术的基础上进一步研究心脏健康。
常见问题
Executive Industry Relevance
Accurate measurement of intrinsic cardiac firing rate is essential for identifying pacemaking defects and de-risking cardiovascular target validation. This microelectrode array method enables reliable, high-throughput assessment of sinoatrial node function in murine models, supporting mechanistic insight into autonomic-independent heart rate regulation. The approach bridges discovery electrophysiology with pharmacological screening, enhancing predictive confidence in early-stage cardiac safety and efficacy evaluations.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of cardiac pacemaker function by isolating intrinsic firing rate from autonomic influences.
- Operational Value: Provides a reproducible platform for validating genetic or pharmacological modulation of sinoatrial node activity.
- Strategic Value: Supports target confidence by confirming on-target effects of compounds modulating heart rate.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, channel-resolved extracellular field potential data for beat frequency and interspike interval analysis.
- Operational Value: Allows simultaneous recording from 64 electrodes, increasing throughput and data robustness compared to single-cell methods.
- Strategic Value: Facilitates assay standardization for cardiovascular liability screening and lead optimization.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Enables region-specific characterization of cardiac electrophysiology in whole-mount sinoatrial node preparations.
- Operational Value: Supports dose-response testing of pharmacological agents such as 4-aminopyrimidine to assess chronotropic effects.
- Strategic Value: Improves translational continuity by providing preclinical data directly comparable to clinical heart rate endpoints.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the cardiovascular discovery continuum, from early target validation through lead identification to preclinical safety assessment, by providing a scalable readout of pacemaker cell function.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of ion channel or gene contributions to automaticity by measuring spontaneous firing rates.
- Screening: Delivers assay-ready, quantitative outputs (beats per minute, interspike interval) suitable for compound effect profiling.
- Analytics: Enables automated spike extraction and frequency analysis across multiple channels for consistent, objective quantification.
- Translational Research: Connects murine sinoatrial node function to human cardiac safety biomarkers through conserved pacemaker mechanisms.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable electrophysiology platform for chronic disease model testing and repeat pharmacology studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in heart rate regulation by providing direct, autonomic-independent pacemaker readouts.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization through stable tissue preparation and consistent MEA-based signal acquisition.
- Strategic Value: Increases capital efficiency by minimizing reliance on low-throughput, technically demanding patch-clamp or isolated heart methods.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of cardiovascular targets based on validated effects on intrinsic pacemaker function.
Implementation Considerations
- Requires expertise in murine cardiac dissection and tissue handling to ensure viable sinoatrial node preparations.
- Dependent on microelectrode array instrumentation, perfusion systems, and electrophysiology amplifiers for extracellular recording.
- Necessitates standardization of buffer composition, temperature (37°C), and flow rate (2 mL/min) across laboratories for data comparability.
- Involves adaptation considerations when applying the method to disease models with structural or fibrotic atrial remodeling.
- Limited by tissue viability duration, necessitating timely experimentation post-dissection to maintain stable baseline recordings.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:58
Dissecting the Sinoatrial Node
3:50
Microelectrode Array System Preparation for Recording
4:18
Heart Tissue Placement on Microelectrode Array Grid
5:03
Data Acquisition
6:10
Analysis of Microelectrode Array Recordings for Sinoatrial Node Beat Frequency Measurement
7:13
Results: The Sinoatrial Node Beat Frequency Measurement
8:41
Conclusion
