トランスポーターは、細胞膜または細胞層間でイオンを異なる分離することを可能にし、組織の生理学、修復、病理学において重要な役割を果たします。ここでは、in vivoで単一細胞および組織における特定のイオンフラックスの測定を可能にするイオン選択的自己参照型微小電極について説明します。
このコンテンツを表示するには、JoVEへの購読が必要です。 または、無料トライアルをお申し込みください。
トランスポーターは、細胞膜または細胞層間でイオンを異なる分離することを可能にし、組織の生理学、修復、病理学において重要な役割を果たします。ここでは、in vivoで単一細胞および組織における特定のイオンフラックスの測定を可能にするイオン選択的自己参照型微小電極について説明します。
動物、植物、単一細胞からの細胞は、外部から細胞質を分離し、細胞膜と呼ばれるバリアによって囲まれています。例えば、上皮細胞層としても外側または多細胞生物の異なる区画の内部を分離するバリアを形成します。これらの障害の重要な特徴は、細胞膜または細胞膜を横切るイオンの微分分布です。二つの特性は、この配布を許可する:1)膜および上皮は、特定のイオンを選択的に透過性を表示します。 2)イオンは、細胞膜および細胞膜を横切るポンプを介して輸送されます。これらの特性は、組織の生理機能の維持に重要な役割を果たし、修理の際に、損傷後の手がかりを信号として機能し、または病理学的条件の下で。イオン選択自己参照微小電極は、単一の細胞および組織レベルでのカルシウム、カリウムやナトリウムなどのイオンの特定のフラックスの測定を可能にします。微小電極は、イオノフォアのカクテルが含まれています特定のイオンを選択的に透過。内部充填溶液は、目的のイオンの設定濃度が含まれています。微小電極の電位はイオンの外濃度によって決定されます。イオン濃度が変化するように、微小電極の電位がイオン活性の対数の関数として変化します。 (これはイオン束に濃度勾配で、すなわち )イオンのソースまたはシンクの近くに前後に移動すると微小電極電位はイオンフラックス/勾配に比例した振幅で変動します。増幅器は、微小信号を増幅し、出力は、コンピュータに記録されます。イオン束は、その後、特定のイオン移動度として、電極電位変動、微小電極の偏位、および他のパラメータを使用して拡散フィックの法則によって計算することができます。本稿では、イオン選択自己参照微小電極のANを用いて細胞外のイオンフラックスを測定するための方法論を詳細に説明しますいくつかの代表的な結果を提示するdは。
全ての動物細胞は、外部環境から細胞質を分離する脂質二重膜で囲まれています。セルは、イオン1の能動輸送により、内部の電気膜電位、負を維持します。膜電位は、細胞は、膜2に、様々な分子デバイスを動作させるために利用することができる保存されたエネルギー源です。ニューロンおよび他の興奮性細胞は、大きな膜電位を有します。ナトリウムチャネルの迅速な開口部は膜電位(脱分極)の崩壊と神経2の長さ方向に沿って搬送される活動電位を生成します。別にこれらの急速な電気的変化から、多くの組織や器官が発生し、重大な長期的な電位を維持します。例えば、皮膚、角膜上皮が発生し、イオンの方向励起(主にナトリウムと塩化物)3によって経上皮電位および細胞外の電流を維持します。
10トン">内因性細胞外電流の測定は微小電極システム7-10は、細胞膜および上皮細胞層の電気的パラメータの測定を可能に用いて振動プローブ4-6および膜または経上皮電位の測定値を使用している間、彼らはない与えます関与するイオン種の指標。選択的イオノフォアと微小電極は、溶液中の特定のイオン濃度を測定することができます。イオン勾配またはフラックスは異なる位置に2つ以上の電極を用いて測定することができます。しかし、各プローブの固有の電圧ドリフトは、不正確な測定または存在しなかった勾配であっても検出を引き起こし、異なるであろう。それは2点間の低周波数で移動することにより、「自己参照」モードで使用される単一の電極は、この問題を解決します。ここで、イオンフラックスは、( 図3B参照 )は、比較的ゆっくりと安定した信号ドリフトの背景を見ることができます。
イオン感受性測定システムは、組織または単一細胞に近いイオンの小さな細胞外フラックスを検出するために、イオン選択自己参照微小電極を使用しています。システムは、微小電極からの信号を処理し、マイクロステッピングモータとドライバは、微小電極の動きを制御するための増幅器で構成されています。回路を閉じるイオン選択微小電極および参照電極をヘッドステージ前置増幅器( 図1A)を介して増幅器に接続されています。コンピュータソフトウェアは、微小運動(周波数、距離)のパラメータを決定し、また、増幅器の出力を記録します。ステッピングモータは、三次元マイクロポジショナーを介して微小電極の移動を制御します。イオン選択性微小電極を振動、低周波は、まず、特定のカルシウム流11を測定するために1990年に開発されました。同様に、カルシウムなど、商業的にアクセス可能なイオノフォアカクテルは今MICRを作るために利用可能ですナトリウム、塩化物、カリウム、水素、マグネシウム、硝酸、アンモニウム、フッ化リチウム、水銀に敏感oelectrodes。
基本的には、自己参照イオン選択微小電極技術は、電圧計で測定することができる電位に溶液中に溶解し、特定のイオンの活性を変換します。イオノフォアカクテルは、イオン交換特性を有する非混和性液体(有機親油性)相です。イオノフォアは、選択的可逆的に(結合する)特定のイオンと錯体を形成し、微小電極(電解液)に含まれる水溶液と微小電極が浸漬させた水溶液( 図1D)との間でそれらを転送します。このイオンの移動は、電気化学的平衡をもたらし、微小電極と参照電極との間の電位の変動を電圧計により測定されます。電圧は、ネルンストeによる特定のイオン活性の対数に比例していますイオン濃度( 図2AおよびB)の計算を可能にするquation。
現在、いくつかのシステムでは、同様の概念や原理を用いてイオン流の測定を可能にします。例えば、走査型イオン選択電極法(SIET)12,13またはニューマンとShabala 14-16によって開発された微小電極のイオンフラックスの推定(MIFE)技術は市販されており、広く特定のイオンを決定するために、研究コミュニティによって使用されます動物、植物および単一生細胞モデルの多様にわたって細胞膜および組織で生じる磁束。マウスの骨におけるイオン選択性微小植物の根17を横切って、水素、カリウムおよびカルシウムフラックスを測定するために使用されている、塩化フラックスラット大脳動脈18と花粉管19、水素流量スケート網膜細胞20、カルシウムフラックス21、様々なイオン菌糸22であり、rでフラックス単一細胞の創傷中に角膜23、および最終的にカルシウム流で12,24治癒 。また、イオン選択自己参照微小電極25の詳細については、以下のレビューを参照してください。
次の記事では、準備し、単一細胞レベルでのイオン選択自己参照微小電極技術を用いて、内因性の細胞外イオンフラックスの測定を実行する方法を詳細に説明しています。
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
1.イオン選択自己参照微小電極作製
2.イオン選択自己参照微小電極のキャリブレーション
イオン選択微小電極法の3検証
商工会議所の測定4.準備
注:実験の前に、サンプルを測定することが考慮し、サンプルがどのように実装され、微小電極の測定のために固定化します。
5.イオンフラックス測定
6.統計分析とデータ表示
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
我々は以前、カルシウム流入は、単一のセルが24を負傷した後に表示されることが示されています。したがって、我々は、他のイオン束は、単一の細胞損傷の際に発生するかどうか尋ねました。我々は、Xを使用しました卵母細胞をアフリカツメガエル 、単一のセルのための十分に確立されたモデルは30〜34と電気生理学的記録24,35-39創傷治癒します 。興味深いことに、カリウムイオンは、Xの内部に、より集中しています創傷時のカリウムの流出を示唆している:(1 mMのMMR 1Xに)使用される細胞外溶液中よりも卵母細胞(約110 mM)の40を アフリカツメガエル 。この仮説を確認するために、我々は、Xの過程でカリウムフラックスを測定しましたイオン選択自己参照微小電極を用いた卵母細胞の細胞膜の治癒をアフリカツメガエル 。
卵母細胞を創傷に、最初の大きな先端サイズ(〜50μm)を有するキャピ...
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
in vivoでの細胞外イオンフラックスの測定に成功するために最も重要な手順は次のとおりです。ノイズの低減、イオン選択微小電極と参照電極の正確な製造、およびサンプルと両電極の配置。
ノイズを最小にするために、記録システムは、好ましくは、接地された金属張り(防振)テーブルでアース(接地)ファラデーケージにする必要があります。また、顕微鏡シャーシも接地する必要があります。電気ノイズの発生源は、光源を含みます。光ファイバ「ファンレス」光源は、最小限の電気的ノイズの原因となります。最後に、所有者はまた、塩素化微小電極に銀線、ペレットを維持すること(次亜塩素酸ナトリウム漂白剤に浸漬してのdH 2 Oですすぎ)ノイズを最小限に抑え、イオン選択微小電極や測定になります参照電極中の気泡の選択図存在として失敗微小電極の導電率はゼロか、改ざんされます。これにより、所有者にそれらをマウントする前に顕微鏡下で電極を検証することが重要です。気泡を除去するための詳細な手順のためのプロトコルを参照してください。サンプルおよび微小電極の両方の正確な位置決めが確実かつ再現可...
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。
この作業は、全米科学財団の助成金MCB-0951199、一部はNIHの助成金EY01910、カリフォルニア再生医療研究所の助成金RB1-01417、およびFundação para a Ciência e Tecnologia(FCT)助成金)SFRH/BD/87256/2012によって支援されました。
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| イオナップ | BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA | なし | BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA によって作成されたアンプ。同様のシステムは「XBL 関数が重要"(http://www.xuyue.org/)または「YoungerUSA」(http://www.youngerusa.com/)または該当する電子機器(http://www.applicableelectronics.com/) |
| IonAmp32 | BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA | なし | BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA によって作成されたソフトウェア。同様のシステムは「XBL 関数が重要"(http://www.xuyue.org/)または「YoungerUSA」(http://www.youngerusa.com/)またはApplicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
| ヘッドステージプリアンプ | BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA | INA116 | BSR Voltage Follower INA116, designed by the BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA;同様のシステムは「XBL 関数が重要"(http://www.xuyue.org/)または「YoungerUSA」(http://www.youngerusa.com/)またはApplicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
| MicroStep Driver | BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA | なし | X、Y、Z ポジショニングには 3 つの MicroStep ドライバーが必要です。BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA; によって作成されました。同様のシステムは「XBL 関数が重要"(http://www.xuyue.org/)または「YoungerUSA」(http://www.youngerusa.com/)またはApplicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
| 手動マイクロポジショナー | 世界の精密機器 | モデルKITE-R | 同様のシステムは、Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
| Magnetic stand から購入できます。 | World Precision Instruments | Model M10 | 同様のシステムは、Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
| 防振テーブルから購入できます | ニューポート社 | モデルVW-3036-OPT-023040 | 同様のシステムは、適用可能な電子機器(http://www.applicableelectronics.com/)から購入することができます |
| 3次元マイクロポジショナーの一部:アングルブラケット、90°、スロット付き面 | ニューポート社 | モデル360-90 | 3次元マイクロポジショナーの集合体には、X、Y、Z制御用の3つの電動ロータリーモーター、MCA-2調整可能な角度ポストと振動テーブルにボルトで固定するさまざまなニューポートコネクタとネジを備えたMPH-1取り付けアームも必要です |
| 次元マイクロポジショナーの一部:ペグ結合ダブテールステージ0.5インチ Xトラベル | ニューポート株式会社 | 460PD-X | なし |
| 3次元マイクロポジショナーの一部: クイックマウントリニアステージ、0.5インチ XY Travel | Newport Inc. | 460A-XY | なし |
| Kwik-Fil薄肉ホウケイ酸ガラスキャピラリー(フィラメントなし) | 世界の精密機器 | TW150-4 | |
| 無電極プーラー | 成茂 | PC-10 | なし |
| 金属製ラック | なし | 製電極ホルダー 10cm x 15cmの長方形のスチール製ベースに半センチ間隔の穴をあけて、2mm幅の穴を開けて社内製 | |
| オーブン | QL | Model 10 ラボオーブン | なし |
| シラン化ソリューション I | Sigma-Aldrich | 85126 | 危険、プロバイダーが推奨するハンドル |
| ガラスペトリ皿;パイレックス | フィッシャー サイエンティフィック | 316060 | なし |
| 電極/マイクロピペット 保存ジャー | ワールド プレシジョン インスツルメンツ | E215 | なし |
| ガラス乾燥器 | フィッシャーサイエンティフィック | 08-595E | ドライエライト乾燥剤が含まれています(WA Hammond Drierite Co. Ltd、Xenia、OH、USA)。シールにワセリンを敷いて気密にします。 |
| プラスチックパスツールピペット | フィッシャー・サイエンティフィック | 11597722 | なし |
| ブンゼンバーナー | フィッシャー・サイエンティフィック | S97329 | なし |
| 顕微鏡スライド | シグマ・アルドリッチ | S8902 | なし |
| ストレートマイクロ電極ホルダー | ワーナー・インスツルメンツ | QSW-A15P | ゴールド1mmオスコネクターとAg/AgClワイヤー付き |
| ストレートマイクロ電極ホルダー | World Precision Instruments | MEH3S | 内部にAgCl(Ag+)ペレット、金2mmオスコネクタ付き |
| 6 cmシャーレ | VWR | 60872-306 | なし |
| Nitex mesh | Dynamic Aqua-Supply Ltd. | NTX750 | なし |
| 接着剤;ロックタイトエポキシ | VWR | 500043-451 | 計量ボートで接着剤と硬化剤を均等に混合し、完全に混合します。すぐにセットしますが、完全に硬化する |
| 脱イオン水 | Sigma-Aldrich | 99053 | なし |
| 塩化ナトリウム | Sigma-Aldrich | S7653 | なし |
| 塩化カリウム | Sigma-Aldrich | P9333 | なし |
| 塩化カルシウム | Sigma-Aldrich | C1016 | なし |
| 塩化マグネシウム | Sigma-Aldrich | M8266 | なし |
| Hepes | Sigma-Aldrich | H3375 | なし |
| ヒドロキシドナトリウム | Sigma-Aldrich | S8045 | なし |
| 酢酸カリウム | Sigma-Aldrich | P1190 | なし |
| アガロース | Σ-Aldrich | A9539 | なし |
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。