המחקר מציג את Zebra II, מערכת מתקדמת לרכישה וניתוח ממושך של א.ק.ג בדגי זברה. מערכת זו כוללת מערכת זלוף עצמאית ואלקטרודות מרובות נקודות לטיפול בדגים מרובים בסביבות מבוקרות. ההשפעות החריפות של אמיודרון הוערכו ונותחו עם דג זברה מסוג בר.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
המחקר מציג את Zebra II, מערכת מתקדמת לרכישה וניתוח ממושך של א.ק.ג בדגי זברה. מערכת זו כוללת מערכת זלוף עצמאית ואלקטרודות מרובות נקודות לטיפול בדגים מרובים בסביבות מבוקרות. ההשפעות החריפות של אמיודרון הוערכו ונותחו עם דג זברה מסוג בר.
דג הזברה והקווים המוטנטיים שלהם שימשו באופן נרחב בחקירות ביו-רפואיות, מחקרים קרדיווסקולריים וסינון תרופות. במחקר הנוכחי מוצגת הגרסה המסחרית של המערכת החדשנית, זברה II. הפרוטוקול מדגים רכישה וניתוח של אלקטרוקרדיוגרמה (ECG) מדגי זברה מרובים בסביבות עבודה הניתנות לשליטה. המכשיר מורכב ממערכת זלוף חיצונית ועצמאית, אלקטרודה בעלת 4 נקודות, חיישני טמפרטורה ומערכת אלקטרונית משובצת. במחקרים קודמים, אב הטיפוס של המכשיר עבר אימות מול מערכת iWORX המבוססת באמצעות מספר בדיקות, והדגים איכות נתונים דומה ותגובת א.ק.ג להתערבויות תרופתיות. לאחר מכן, המחקר התעמק בבחינת ההשפעה של תרופות הרדמה ותנודות טמפרטורה על א.ק.ג של דג הזברה, מה שהצריך הערכת נתונים מיידית. הודות ליכולתו של המנגנון לספק באופן עקבי חומרי הרדמה ותרופות, ניתן היה להאריך את איסוף נתוני האק"ג עד שעה אחת, זמן ארוך משמעותית ממשך 5 הדקות הנתמך על ידי המערכות הנוכחיות. מאמר זה מציג ניתוח אוטומטי חלוצי מבוסס ענן המשתמש בנתונים מארבעה דגי זברה, ומציע שיטה יעילה לביצוע ניסויים משולבים ולהפחתת זמן ומאמץ באופן משמעותי. המערכת הוכיחה את עצמה כיעילה בלכידת וניתוח א.ק.ג, במיוחד באיתור הפרעות קצב הנגרמות על ידי תרופות בדגי זברה מסוג בר. בנוסף, היכולת לאסוף נתונים על פני מספר ערוצים הקלה על ביצוע ניסויים מבוקרים אקראיים עם מודלים של דגי זברה. מערכת האק"ג שפותחה מתגברת על המגבלות הקיימות, ומראה את הפוטנציאל להאיץ מאוד את גילוי התרופות ומחקר הלב וכלי הדם הכוללים דג זברה.
מחלות לב וכלי דם הן סיבת המוות המובילה ברחבי העולם. על פי דוח עדכון AHA לשנת 2024, כ-2552 אנשים מתים מדי יום ממחלות לב וכלי דם בארה"ב, והעלות הישירה והעקיפה הממוצעת של CVD הוערכה ב-378.0 מיליארד דולר בשנים 2017-20181. פרפור פרוזדורים (AF) הוא אחד מהפרעות קצב הלב השכיחות ביותר בארה"ב 2 והוא קשור לפרוגנוזה שלילית, מה שמגדיל את הסיכון לשבץ מוחי ומוות הן בתרחישים של מחלות לב וכלי דם והן בתרחישים של מחלות לב וכלי דם, מה שמוביל לסיכון מוגבר לתוצאות שליליות3. סוג זה של הפרעות קצב נבדל על ידי פעילותו החשמלית המהירה והלא סדירה בפרוזדורים, מה שבדרך כלל מביא ל<קצב חדרי מהיר ולא סדיר class="xref">4. יתר על כן, בהתחשב באירועים האחרונים של COVID-19, יש מספר מוגבר של מחקרים וראיות המראים הופעה מוגברת של הפרעות קצב ביחס ל-COVID-19, בעיקר לסינוסים ברדיקרדיה5. בצד הנגדי של AF, ברדיקרדיה בסינוסים מציגה קצב לב נמוך ואיטי יותר, עם קצב לב נמוך מ-60 פעימות לדקה (bpm). אבחנה זו דורשת אלקטרוקרדיוגרמה (ECG) המציגה קצב סינוסים תקין בקצב נמוך מ-60 פעימות לדקה.
דג הזברה, Danio rerio, הוכיח את עצמו כמודל אידיאלי למחקרי לב וכלי דם ופיתוח תרופות בגלל ההומולוגיה שלו לבני אדם הן במורפולוגיה, פיזיולוגיה והן בגנטיקה6,7. למרות שיש לו רק שני חדרים שניתן להבחין בהם בהשוואה ללב בעל ארבעת החדרים בבני אדם, לדג הזברה יש מבנה התכווצות דומה עם מערכת הולכה אנלוגית8,9. לפיכך, מודל דג הזברה מתאים לחקר הפרעות קצב לב ולחקר הקשר בין מסלולים גנטיים קשורים למאפיינים אלקטרופיזיולוגיים באמצעות ניתוח א.ק.ג. לגבי תכנון החיישן להקלטת א.ק.ג בדג זברה, אלקטרודות מחט קונבנציונליות משמשות בדרך כלל10. מחקרים אחרים הציגו חלופות למחטים קונבנציונליות על ידי תכנון סוג אחר של מחט העשויה מחומרים שונים11, אלה שילבו חומרים כגון חוט טונגסטן, נירוסטה וחוט כסף כדי להעריך את איכות הנתונים המוקלטים. יחד עם ערכת האק"ג הניידת, הם ביקשו להקים פלטפורמה אוניברסלית הן למעבדות מחקר והן למעבדות חינוכיות.
מערכת המחטים נפרסה גם במחקרים אחרים11,12,13,14 לביצוע מחקר על השפעות ביולוגיות ו/או הנגרמות על ידי תרופות, שבו היא הראתה תוצאות מעודדות. עם זאת, כדי להשיג אותות אופטימליים, היה צורך להכניס בזהירות את המחטים דרך הדרמיס של דג הזברה. הליך פולשני זה עלול לגרום לפגיעה בלב הדג עקב חדות המחטים, ובכך לשנות את מורפולוגיה האות13. יתר על כן, הנחת האלקטרודה במדויק על הלב הקטן מבלי לגרום נזק כדי להבטיח לכידת א.ק.ג ברורה מציגה עקומת למידה משמעותית. כתוצאה מכך, הוצגו מערכות בדיקה חלופיות שונות, כגון מערכי מיקרואלקטרודות (MEA) וחיישנים מודפסים בתלת מימד. גם הצוות שלנו וגם חוקרים אחרים השתמשו בהצלחה ב-MEA לרכישת נתונים, והשיגו נתונים המציעים יחס אות לרעש (SNR) טוב יחד עם רזולוציה מרחבית וזמנית גבוהה15,16,17. לדוגמה, הצגנו MEA שעוטף את לב הדג, ומאפשר ללכוד אותות א.ק.ג ספציפיים לאתר15,16. לעומת זאת, צוות אחר פיתח סוג אחר של MEA המבוסס על לוח מעגלים מודפסים גמיש (FPCB) שנוצר מסרט פולימיד שמטרתו להקליט אלקטרואנצפלוגרמות מרובות (EEGs) עבור מחקר אפילפסיה18. בעוד ש-MEAs מאפשרים הקלטה של אותות רבים, הם מוגבלים על ידי היכולת להעריך רק דג אחד בכל פעם בשל המספר המוגבל של תעלות האלקטרודות. בתגובה למגבלה זו, הצגנו לאחרונה מערכת מתקדמת המסוגלת להקליט א.ק.ג בו זמנית ממספר fish19. מערכת זו משתמשת בשתי אלקטרודות, כל אחת בעובי של 125 מיקרומטר ועשויות מפולימיד, כאשר אלקטרודות מרוססות זהב ממוקמות בתחתית הבית שלהן כדי להקל על רכישת נתונים. עם זאת, הכללת משאבת זרימת מים הכניסה רעש, והשפיעה על איכות יחס האות לרעש (SNR) של אותות האק"ג. בנוסף, היה צורך בשימוש בכלי איסוף נתונים מגושמים ויקרים, שדרשו חיבור קווי למחשב. בשוק, מערכות כמו iWORX מציעות ניידות משופרת באמצעות מגבר קומפקטי, אך הן מתמודדות עם בעיות לא פתורות: (i) זמן ההקלטה שלהן קצר מדי (3-5 דקות) לניסויים הדורשים משכי זמן ארוכים יותר, כגון אלה הכוללים השפעות חריפות של תרופות; (2) הדרישה להרדמת בעלי החיים, מה שעלול להלחיץ אותם ולהטות נתונים אלקטרופיזיולוגיים מולדים של הלב; (3) מדידות ידניות עוקבות מעכבות מחקר עם מספר גדול של דגים; ו-(iv) הצורך בעיבוד נתוני א.ק.ג לא מקוון ועתיר עבודה. חשוב לציין, עדיין לא הופיעו מערכות בעלות תפוקה גבוהה המשלבות מיקרו-אלקטרוניקה לניתוח פנוטיפים מוטנטיים. לכן, יצירת מערכות בעלות תפוקה גבוהה המאפשרות רישום א.ק.ג מורחב היא חיונית לחשיפת קשרים בין פנוטיפים של הפרעות קצב וגנוטיפים מוטנטיים, זיהוי פנוטיפים מרובים של הפרעות קצב הקשורים לגנוטיפים מוטנטיים בודדים, ובדיקת יעילותן של תרופות לב באמצעות מודל דג הזברה. כתוצאה מכך, הצגנו, בשנת 2022, את אב הטיפוס פורץ הדרך של מערכת Zebra II. מערכת חדשנית זו מצוידת בביצוע הקלטות א.ק.ג מורחבות ממספר דגים בו זמנית. כדי להשיג זאת, נוצרה מערכת אלקטרונית פנימית, המשתמשת בטכנולוגיית האינטרנט של הדברים (IoT) להעברת נתונים אלחוטית ומאפשרת ניתוח נתונים באמצעות אפליקציה סלולרית. הכללת טכנולוגיית ה-IoT לא רק חיזקה את הגמישות והניידות של המערכת, אלא גם הקלה על שיתופי פעולה מרחוק למחקר על דגמי דג הזברה. במחקר קודם, אימתנו את יעילות המערכת באמצעות בדיקות נרחבות, שהראינו את יכולתה 1) לרכוש נתוני א.ק.ג בו זמנית מארבעה דגים; 2) לבצע הקלטות א.ק.ג רציפות עד שעה, העולה משמעותית על הקיבולת של מערכות קיימות הלוכדות רק כמה דקות; 3) למזער את ההשפעות המבלבלות של ההרדמה על ידי שימוש בריכוז מופחת של 50% של טריקאין. יתר על כן, המערכת הדגימה יכולת חזקה להקלטות א.ק.ג ממושכות בניסויים שונים, כגון אלה הכוללים חסימת סינו-פרוזדורים המושרה על ידי נתרן (SA), שינויי קצב המושרים על ידי טמפרטורה והפרעות קצב הנגרמות על ידי תרופות הן בדגים מוטנטיים Tg (SCN5A-D1275N) והן בדגים מסוג בר בתנאי ניסוי מבוקרים. אימוץ המערכת של תעלות אלקטרודות מרובות לרישום א.ק.ג מורחב מאפשר ביצוע ניסויים אקראיים מבוקרים, המאפשרים לחקור שני דגים לכל קבוצת ניסוי בתנאים זהים20. במאמר זה, אנו מציגים את הגרסה המשודרגת של המערכת, הכוללת אלקטרודה בעלת 4 נקודות. שיפור זה מאפשר למשתמשים ללכוד קריאות א.ק.ג ממקומות שונים על הדג, מה שמפחית משמעותית את הסיכוי לקבל אותות א.ק.ג באיכות נמוכה. יתר על כן, איטרציה זו מתבססת על רוב הפונקציות שתוארו במחקר קודם19. מערכת א.ק.ג מפותחת זו מראה הבטחה גדולה בהתמודדות עם המגבלות הקיימות, ובכך מקלה באופן משמעותי על ניתוח פנוטיפים של הפרעות קצב וסינון תרופות בדגי זברה. התוספת החדשנית של האלקטרודה בעלת 4 הנקודות נבדקה בקפדנות באמצעות מחקר קצר על הפרעות קצב הנגרמות על ידי תרופות בדגי זברה מסוג בר, מה שאישר עוד יותר את יעילותה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הקפדה על הנחיות אתיות מבטיחה רווחה וטיפול הולם בדג הזברה המעורב בניסויים שלנו. כל פעילויות הניסוי נערכו בהתאם לסטנדרטים שנקבעו על ידי הוועדות המוסדיות לטיפול ושימוש בבעלי חיים (IACUC). הניסויים והממצאים המפורטים כאן בוצעו באישור IACUC תחת הפרוטוקול המורשה AUP-21-066.
1. הכנה ואחסון של פתרונות מלאי
זהירות: הכן את תמיסת מלאי הטריקאין במכסה אדים, תוך לבישת ציוד מגן אישי מתאים (PPE).
2. גידול דגים
3. הגדרת המכשיר
הערה: יש לבצע את ההליך המתואר בשלב 3.2 עבור כל תא של המכשיר (איור 1). אמנם ניתן להגדיר כל תא בצורה שונה, אך לעקביות בניסוי, רצוי לשמור על הגדרות אחידות בכל החדרים.
4. טיפול באמיודרון
הערה: נצלו את המים ממיכלי הדגים (מי דגים) להכנת תמיסות מדוללות של אמיודרון וטריקאין. יש לחזור על שלבים 4.3 ו-4.4 עבור כל קבוצה שהופרדה בשלב 2.3 עבור כל פתרון שהוכן בשלב 4.1.
5. איסוף נתוני א.ק.ג
הערה: עקוב אחר הוראות אלה מיד לאחר השלמת שלב 4.4. חזור על התהליך עבור כל תא לפני איטום המכשיר. התאים נועדו להכיל דגים ברוחב של 4-10 מ"מ ואורך של 25-50 מ"מ.
6. פתרון בעיות במערכת מיקום מערך ארבע האלקטרודות
הערה: לעיתים, אלקטרודה אחת או כמה עלולות להיכשל בלכידת אות א.ק.ג ברור, מה שמחייב מיקום מחדש. השתמש בשלבים הבאים כדי לפתור בעיות במערך האלקטרודות בעת הצורך.
7. חילוץ וניתוח נתונים
הערה: כל ניתוח הנתונים הבסיסי המוצג במאמר זה משתמש בטכניקת Wavelet21 כדי להפחית סוגים שונים של רעש וסטיית תקן של פעימות סינוס תקינות (SDNN) כדי לחשב את שונות הפעימות של HR בקטעים של דקה אחת.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
היכולת להקליט בו-זמנית אותות ECG ממספר דגים מבדילה משמעותית מכשיר זה, ומספקת יתרון ניכר בצמצום הזמן הנדרש למחקרים על תרופות או מחקרים קרדיאלגיים בדגי זברפיש או במינים דומים אחרים (איור 1). הקלטה מדויקת של אותות ECG עלולה להיות מאתגרת בשל השונות האנטומית בין הדגים, במיוחד בכל הנוגע למיקום האלקטרודות. באופן מסורתי, השגת אות ECG ברור כרוכה במיקום האלקטרודה הפעילה מעל הלב כדי להימנע מקליטת פעימות מכניות או ארטיפקטים של תנועה, כאשר אלקטרודת הייחוס ממוקמת לכיוון הבטן התחתונה. עם זאת, איתור מיקומו ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
השלבים הנוכחיים שונו ושופרו בהתאם לגרסת המכשיר החדשה הזו ממחקר קודם שנעשה על ידי הצוות שלנו20. כאן, כלול גם עיצוב בעזרת מחשב (CAD) של המכשיר.
כפי שמודגש במדריך פתרון הבעיות של הפרוטוקול, ההתקן מחייב את המשתמש לבצע שלבים קריטיים מסוימים בחריצות ובדייקנות, מכיוון ששלבים אלה משפיעים באופן מכריע על איכות אות ה-ECG. בהתאם לממצאים מהמחקר הקודם שלנו20, מיקום האלקטרודות ממלא תפקיד משמעותי ברכישת קריאות א.ק.ג איכותיות וברורות מדגימות דג הזברה. בשל שיטה זו...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הונג קאו ומייקל לאו הם המייסדים של Sensoriis, Inc. המערכת Zebra II של Sensoriis פותחה בתמיכת NIH, SBIR Phase II #R44OD024874. אוניברסיטת קליפורניה, אירווין, בחנה ואישרה את מערכת היחסים של הונג קאו עם Sensoriis, Inc. בהתאם למדיניות ניגוד העניינים שלה. המחברים האחרים מצהירים שאין ניגוד עניינים.
אנו אסירי תודה על התמיכה של #R44OD024874 שלב II של ה-NIH SBIR ל-H.C. ו-M.P.H.L. המחברים מבקשים גם להכיר בתמיכה הכספית הניתנת על ידי המועצה הלאומית למדעי הרוח, המדע והטכנולוגיה (CONAHCYT) במקסיקו באמצעות המלגה שכותרתה Beca CONAHCYT Para Estudios de Doctorado en el Extranjero.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| אמיודרון הידרוכלוריד | סיגמא-אולדריץ' | PHR1164-1G | אבקת אמיודרון |
| מד pH/mV ספיר | 10500308 | ||
| מדעי אתיל3-אמינובנזואט, מלח חומצה מתאנסולפונית, 98%, ACROS אורגניקס | פישר | AC118002500 | אבקת טריקאין |
| איזוטמפ פלטה חמה בוחש | פישר סיינטיפיק | SP88854200 | |
| מערכת Zebra II | Sensoriis | N/A | מערכת הקלטת א.ק.ג מסחרית של דג זברה |
| מערכת א.ק.ג של דג זברה | iWorx | ZS-200 | מערכת הקלטת א.ק.ג מסחרית של דג זברה |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.