このプロトコルは、標準的なインビトロ電気生理学装置用に最近開発されたシステムを用いて自動画像ガイドパッチクランプ実験を行う方法を説明している。
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このプロトコルは、標準的なインビトロ電気生理学装置用に最近開発されたシステムを用いて自動画像ガイドパッチクランプ実験を行う方法を説明している。
全細胞パッチクランプは、単細胞の電気的特性を測定する金標準的な方法です。しかし、 インビトロパッチクランプは、その複雑さおよびユーザの操作および制御への高い依存性のために、依然として困難で低スループットの技術である。この原稿は、急性脳スライスにおけるin vitro全細胞パッチクランプ実験のための画像ガイド自動パッチクランプシステムを実証しています。我々のシステムは、蛍光標識された細胞を検出し、マイクロマニピュレーターおよび内部のピペット圧力制御を用いた完全自動パッチングのためにそれらを標的にするコンピュータビジョンベースのアルゴリズムを実施する。プロセス全体は高度に自動化されており、人間の介入に対する必要条件は最小限に抑えられています。電気抵抗および内部ピペット圧力を含むリアルタイムの実験情報は、将来の分析および異なる細胞タイプへの最適化のために電子的に文書化されている。我々のシステムは、急性のbraiの文脈で記述されているn個のスライスレコーディングのために、解離ニューロン、器官型スライス培養物、および他の非ニューロン細胞タイプの自動画像誘導パッチクランプにも適用することができる。
パッチクランプ技術は、興奮性膜のイオンチャンネルを研究するために1970年代にNeherとSakmannによって最初に開発されました1 。それ以来、パッチクランプは、ニューロン、心筋細胞、アフリカツメガエル卵母細胞、人工リポソームを含む多くの異なる細胞タイプにおいて、細胞、シナプスおよび回路レベル( インビトロおよびインビボの両方) で多くの異なる被験者の研究に適用されている2 。このプロセスは、細胞の正確な同定および標的化、細胞に近接してパッチピペットを動かすための複雑なマイクロマニピュレーター制御、適切な時間に陽圧および陰圧をピペットに適用して緊密なギガシールパッチを確立すること、セル全体のパッチ構成を確立するためのブレークインなどがあります。パッチクランプは、通常は手作業で行われ、マスタリングには大規模なトレーニングが必要です。パッチを経験した研究者であってもクランプ、成功率は比較的低いです。より最近では、パッチクランプ実験を自動化するためのいくつかの試みがなされている。自動化を達成するために2つの主要な戦略が進化しました。標準的なパッチクランプ装置を増強して、パッチ適用プロセスの自動制御と、新しい装置と技術の設計を根本から行いました。前者の戦略は、既存のハードウェアに適応可能であり、 インビボブラインドパッチクランプ3、4、5、急性脳切片のin vitroでのパッチクランプ、器官型スライス培養物を含め、パッチクランプ種々の用途に使用することができ、培養解離ニューロン6 。これは、複数のマイクロマニピュレータを同時に使用することにより、複雑なローカル回路の照会を可能にします7 。平面パッチ法は、新しい開発戦略の一例であり、高スループットの同時p薬物スクリーニング目的のための懸濁液中の細胞のクランプクランプ8 。しかしながら、平面パッチ法は、全ての細胞型、特に、長いプロセスを有するニューロンまたは広範な接続を含むインタクトな回路には適用できない。これは、従来のパッチクランプ技術の重要な利点である、神経系の複雑な回路をマッピングすることへのその適用を制限する。
我々は、標準的なパッチクランプハードウェアを増強することにより、手動パッチクランププロセスをインビトロで自動化するシステムを開発しました。当社のシステムであるオートパックャーIGは、自動ピペット校正、蛍光細胞標的同定、ピペット移動の自動制御、自動全細胞パッチ、およびデータロギングを提供します。このシステムは、異なる深さの脳スライスの複数の画像を自動的に獲得することができる。コンピュータビジョンを使ってそれらを分析する。蛍光標識された細胞の座標を含む情報を抽出する。この情報は、目的の細胞を標的とし、自動的にそれをパッチするために使用される。このソフトウェアは、いくつかのオープンソースライブラリを使用して、無料のオープンソースプログラミング言語であるPythonで書かれています。これにより、他の研究者へのアクセシビリティが確保され、電気生理学実験の再現性と厳しさが向上します。このシステムはモジュラー設計を採用しているため、追加のハードウェアをここで示した現在のシステムと容易にインターフェースすることができます。
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1.システムセットアップ
2.自動パッチクランプ手順
3.レコーディングの実行
注記:コンピュータ制御マイクロ電極増幅器のモードは、パッチが正常に達成されると、オートパッチャーソフトウェアによって自動的に電流クランプ( "IC")に設定されます。全細胞パッチクランプ記録は、選択した記録ソフトウェア(このシステムは記録機能を含まない)を用いて行うことができる。複数の標的細胞が同定された場合、記録を終えた後、ステップ2.4に戻り、別の細胞を試してみる。
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我々のシステムは、急性脳スライス、ニューロンに分化したマウス誘発多能性幹細胞(iPSC)、および関心のあるチャネルを人工的に発現するHEK293細胞に細胞をパッチする能力に関して試験されている。 図3は、視覚野における蛍光標識層5ピラミッドニューロンを標的とするThy1-ChR2-YFPトランスジェニックマウス(B6.Cg-Tg(Thy1-COP4 / EYFP)18Gfng / J)を用いた実験を示す。標的細胞は、自動的に同定された緑色蛍光陽性細胞の1つであった( 図3b )。 図3aは、パッチされたニューロンの差分干渉コントラスト(DIC)画像である。全細胞構成は、ステップ2.5〜2.6での自動パッチ適用プロトコルによって達成され、ステップ電流注入誘発活動電位によって検証された( 図3c )
1 ">追加の「コマンドシ...Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
ここでは、インビトロで自動画像ガイドパッチクランプ記録のための方法を説明する。このプロセスの主要なステップを以下に要約します。まず、コンピュータビジョンを使用して、顕微鏡で取得した一連の画像を使用してピペットチップを自動的に認識させます。この情報は、次に、顕微鏡とマニピュレータ座標系との間の座標変換関数を計算するために使用される。コンピュータビジョンは、蛍光標識された細胞を自動的に検出し、それらの座標を同定するために使用される。これらのステップは、オープンソースのPythonプログラミング言語、PyQT、およびOpenCVライブラリを使用したピペットターゲティングと自動パッチ適用アルゴリズムと統合されています。
既存のインビトロパッチクランプ法と比較して、このシステムはいくつかの領域において顕著な改善を行う。人間の介入を最小限に抑えます。このシステムは、パッチクランプ実験のほとんどのステップを自動化し、req人間の介入のための欲求。低/高倍率顕微鏡レンズの切り替えを含む、残りの手動ステップの一部は、追加の電動ハードウェアを使用して自動化することが...
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米国特許出願第15 / 353,719号(非特許文献2)は、2016年11月16日に出願された非暫定的特許出願である「バイロの自動イメージ誘導パッチクランプ電気生理学のためのシステムおよび方法」(Ref。番号:PRF 67270-02。
ホワイトホール財団の資金援助に感謝します。貴重なコメントをいただいたSamuel T. Kissinger氏に感謝します。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| CCDカメラ | QImaging | Rolera Bolt | |
| 電気生理学リグ | Scientifica | SliceScope Pro 2000 | 顕微鏡とマニピュレーターが含まれています。この原稿で示されているメーカー提供のマニピュレータ制御ソフトウェアは、「Linlab2"です。 |
| アンプ | 分子デバイス | MultiClamp 700B | コンピュータ制御微小電極増幅器 |
| デジタイザ | 分子デバイス | Axon Digidata 1550 | |
| LED光源 | クールLED | pE-100 | 488nm波長 |
| データ収集ボード | Measurement Computing | USB1208-FS | Secondary DAQ. マニュアルを参照してください。http://www.mccdaq.com/pdfs/manuals/USB-1208FS.pdf |
| ソレノイドバルブ | The Lee Co. | ||
| エアポンプ | バーチャルインダストリー | VMP1625MX-12-90-CH | |
| 空気圧センサ | フリースケール セミコンダクター | MPXV7025G | |
| スライスホールドダウン | ワーナー・インスツルメンツ | 64-1415 (SHD-40/2) | スライス・アンカー・キット、RC-40 チャンバー用フラット、2.0 mm、19.7 mm |
| Python | Anaconda | バージョン 2.7 (Windows 用 32 ビット) | https://www.continuum.io/downloads |
| ネジ端子 | Sparkfun | PRT - 08084 | ネジ端子 3.5 mm ピッチ (2 ピン) |
| (2 ピン) | |||
| N チャネル MOSFET 60 V 30 A | Sparkfun | COM - 10213 | |
| DIP ソケット はんだテール - 8 ピン | Sparkfun | PRT-07937 | |
| LED - ベーシック レッド 5 mm | Sparkfun | COM-09590 | |
| LED - ベーシック グリーン 5mm | Sparkfun | COM-09592 | |
| DC バレル電源ジャック/コネクタ (SMD) | Sparkfun | PRT-12748 | |
| ウォール アダプター電源 - 12 V DC 600 mA | Sparkfun | TOL-09442 | |
| フックアップ ワイヤー - 品揃え (ソリッド コア、22 AWG) | Sparkfun | PRT-11367 | |
| ロッキング オス x メス x メス ストップコック | ARK-PLAS | RCX10-GP0 | |
| フィッシャーブランドタイゴンS3 E-3603フレキシブルチューブ | フィッシャーサイエンティフィック | 14-171-129 | 外径:1/8インチ 内径:1/16インチ。 |
| BNC オス - BNC オス同軸ケーブル | Belkin Components | F3K101-06-E | |
| 560 Ω 抵抗器 (許容誤差 5%) | シャック | 2711116 | |
| ピコスプリッツァー | 汎用バルブ | ピコスプリッツァー II |
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