Ca2+ spielt eine entscheidende Rolle bei der zellulären Signaltransduktion und reguliert verschiedene zelluläre Funktionen wie Muskelkontraktion1, Nervenleitung2, Sekretion3 und Genexpression4 und beeinflusst dadurch mehrere physiologische Prozesse. Abnorme Ca2+ -Konzentrationen können zu Krankheiten wie Herzrhythmusstörungen5, Gerinnungsstörungen6 und hormonellen Ungleichgewichten7 führen. Daher ist die Untersuchung der Mechanismen intrazellulärer Ca2+ -Konzentrationsänderungen von größter Bedeutung.
An der Regulation derCa2+ -Konzentration in Zellen sind verschiedene Ionenkanäle beteiligt, darunter die hochCa2+-selektiven Calciumfreisetzungs-aktivierten Calciumkanäle (CRAC)8 und nicht-selektive Kationenkanäle der TRP-Familie9. Diese Ionenkanäle können durch Reize wie Temperatur10, Verbindungen und Wirkstoffe aus der traditionellen chinesischen Medizin11 aktiviert werden und spielen eine entscheidende Rolle bei verschiedenen Ca2+-bezogenen physiologischen Prozessen.
Eine effektive Überwachung intrazellulärer Ca2+ -Konzentrationsänderungen ist für die Untersuchung vonCa2+-verwandten Ionenkanälen unerlässlich, insbesondere im Bereich der traditionellen chinesischen Medizin, wo die Regulation des Kalziumsignalwegs in vielen therapeutischen Ansätzen eine zentrale Rolle spielt. Derzeit können die primären Methoden zur Messung von intrazellulärem Ca2+ in zwei Typen eingeteilt werden: elektrische und optische Messungen. Der elektrische Messansatz verwendet die Patch-Clamp-Technik, um Veränderungen des Zellmembranpotentials aufgrund des Ca2+ -Einstroms12 zu beurteilen.
Bei der optischen Messung binden Fluoreszenzsonden spezifisch an Ca2+, wodurch Forscher Änderungen der zellulären Fluoreszenzintensität verfolgen können. Zu den gängigen optischen Methoden gehören fluoreszierende proteinbasierte und fluoreszierende Farbstoff-basierte Techniken. In fluoreszierenden Protein-basierten Methoden könnenForscher Ca2+-empfindliche fluoreszierende Proteine wie Cameleon13 und GCaMP14 in Zellen überexprimieren und Änderungen des Fluoreszenzsignals mithilfe von Fluoreszenzmikroskopie oder Durchflusszytometrie überwachen, um Verschiebungen der zytoplasmatischen Ca2+ -Konzentrationen zu beobachten. Darüber hinaus können Forscher diese Proteine in Mäusen überexprimieren und die Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskopie für die Echtzeit-Überwachung der intrazellulären Ca2+ -Konzentrationen in vivo oder auf Gewebeebene verwenden, um eine hohe Auflösung und tiefe Gewebepenetration zu gewährleisten10.
Für fluoreszierende Farbstoff-basierte Methoden werden häufigCa-2+ -Sonden verwendet, darunter Fluo-3/AM, Fluo-4/AM und Fura-2/AM10. Die Forscher inkubieren Zellen in einer Lösung, die diese Fluoreszenzsonden enthält, die die Zellmembran durchdringen und durch intrazelluläre Esterasen gespalten werden, um Wirkstoffe (z. B. Fluo-3, Fluo-4 und Fura-2) zu bilden, die in der Zelle verbleiben. Diese Sonden weisen in ihrer freien Ligandenform eine minimale Fluoreszenz auf, emittieren jedoch eine starke Fluoreszenz, wenn sie an intrazelluläres Ca2+ gebunden sind, was auf Veränderungen der zytoplasmatischen Ca2+ -Konzentrationen hinweist. Im Vergleich zu anderen fluoreszierenden Proteinen und Farbstoffen wird Fura-2 typischerweise bei Wellenlängen von 340 nm und 380 nm angeregt. Wenn es an intrazelluläres freies Ca2+ gebunden ist, erfährt Fura-2 eine Absorptionsverschiebung, die den Anregungswellenlängenpeak von 380 nm auf 340 nm verschiebt, während der Emissionspeak nahe 510 nm unverändert bleibt. Es besteht eine quantitative Beziehung zwischen der Fluoreszenzintensität und der gebundenen Ca2+ -Konzentration, die die Berechnung der intrazellulärenCa2+ -Konzentration durch Messung des Fluoreszenzintensitätsverhältnisses bei diesen beiden Anregungswellenlängen ermöglicht. Verhältnismessungen reduzieren die Auswirkungen von Photobleichung, Leckagen von Fluoreszenzsonden, ungleichmäßiger Beladung und Unterschieden in der Zelldicke und führen zu zuverlässigeren und reproduzierbareren Ergebnissen (Abbildung 1).
Einzelzellige Ca2+ -Bildgebungssysteme verwenden hauptsächlich Mikroskopietechniken und den Ca2+ -Indikator Fura-2/AM, um intrazelluläre Ca2+ -Konzentrationen nachzuweisen. Diese Systeme bestehen aus einem Fluoreszenzmikroskop, einer Ca2+ -Bildgebungslichtquelle und einer Fluoreszenzbildgebungssoftware, die eine quantitative Echtzeitüberwachung von Ca2+ -Veränderungen im Zytoplasma mehrerer Zellen gleichzeitig ermöglichen (bis zu 50 Zellen pro Sichtfeld). Die Ergebnisse werden für die spätere Analyse im Format ".xlsx" gespeichert. Das System bietet eine schnelle Analysegeschwindigkeit (ca. 1 Minute für die Analyse einer Gruppe von Zellen innerhalb eines Sichtfelds) und generiert intuitive Änderungskurven, wodurch die Detektionseffizienz erheblich verbessert wird. Die Einzelzell-Ca2+ -Bildgebung ist ein wesentlicher technischer Ansatz für die Untersuchung von Ca2+-verwandten Kanälen und hat einen erheblichen Wert in der biomedizinischen Forschung im Zusammenhang mit Ionenkanälen. Es wird erwartet, dass seine Anwendung in der Einzelzell-Calcium-Bildgebungstechnologie die Erforschung der Mechanismen, die der traditionellen chinesischen Medizin zugrunde liegen, erheblich voranbringen wird.