RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ko_KR
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
효소 마이크로전극 바이오센서는 생물학적으로 관련된 농도에서 세포 외 세포 신호를 실시간으로 측정할 수 있습니다. 다음 프로토콜은 바이오센서의 적용을 신장에서 ATP 및H2O2의 생체 외 및 생체 내 검출로 확장합니다.
효소 미세 바이오 센서가 널리 실시간으로 세포 외 시그널링을 측정하는 데 사용되어왔다. 그 사용의 대부분은 뇌 조각 및 신경 세포 배양에 국한되고있다. 최근에,이 기술은 전체 기관에 적용되었다. 센서 설계의 발전은 혈액 관류 생체 신장에서의 세포 신호의 측정을 가능하게했다. 본 프로토콜은 쥐의 신장 간질의 ATP와 H 2 O 2 신호를 측정하는 데 필요한 단계를 나열합니다. 두 개의 개별 센서 디자인에 대한 생체 외 및 생체 내 프로토콜을 사용한다. 센서의 두 가지 유형은 빠른 응답, 민감하고 선택적 바이오 센서를 제공하기 위해 침투 선택성 층 위에 얇은 효소 biolayer로 코팅되어있다. 침투 선택성 층은 생체 조직 내의 간섭 물질로부터의 신호를 보호하고, 효소 층은 글리세롤 키나제 및 글리세롤 -3- 진료 기관 연합의 연속 촉매 반응을 이용하는ATP의 존재 phate 다제는 H 2 O 2를 생성한다. 생체 연구에 사용되는 센서의 세트는 더 백금 / 이리듐 (PT-IR) 와이어 전극에 H 2 O 2의 산화에 의한 분석을 감지했습니다. 생체 내 연구 센서 대신 혈액 관류 조직을 위해 설계 매개 코팅 금 전극 상 H 2 O (2)의 감소에 기초한다. 최종 농도 변화를 분석 알려진 농도로 보정 한 다음 실시간 amperometry에 의해 감지됩니다. 또한, 전류 측정 신호의 특이성은 O 2와 H 2 ATP 대응 분해 같은 카탈라제 등의 효소와 apyrase의 첨가에 의해 확인 될 수있다. 이 센서는 이전과 각 실험 후 정확한 교정에 크게 의존하고있다. 다음 두 프로토콜은 ATP와 H 2의 실시간 검출에 대한 연구를 확립신장 조직에서의 O 2를, 또한 다른 생물학적 제제 또는 전체 기관에서 사용하기위한 상술 한 방법을 확장하도록 변형 될 수있다.
(또한 본 원고에서 센서로 참조) 효소 미세 바이오 센서는 세포와 조직 생활에 동적 신호 전달 과정을 연구하기위한 유용한 도구가되고있다. 센서는 생물학적으로 관련 농도에서 세포 신호 분자의 시공간적 해상도를 증가 제공합니다. 대신 샘플링하고 장시간 간격에서 찍은 세포 외 체액을 분석하는 그들의 효소 분석 물에 반응으로, 이들 센서하여 실시간 측정 1,2- 제조, 빠르게 반응한다. 퓨린 또는 과산화수소 및 그들의 방출 역학 같은자가 분비 및 주변 분비 인자의 농도의 격자 간 고속 검출은 정상 및 병리학 적 상태 (3)에 약물의 효과에 대한 프로파일을 구축하는 데 사용될 수있다. 현재의 센서를 사용하는 애플리케이션의 대부분은 뇌 조직 슬라이스 및 세포 배양 4-10에왔다. 이 논문의 목적에 자세히 프로토콜정확하게 전체 신장의 분석을 실시간으로 농도를 측정하는 수단을 설치한다.
다음 프로토콜은 간질 ATP와 H 신장 2 O 2 신호를 연구하기 위해 개발되었다. 신장의 네이티브 환경에서 세포 외 ATP 빠르게 그 유도체 (ADP, AMP 및 아데노신)로 내인성 ectonucleotidases에 의해 이화됩니다. 여기에 사용 된 센서는 다른 퓨린 또는 ATP 분해물 11 위에 ATP에 매우 선택적이다. 이 ATP 릴리스 및 신호 함수의 상수 및 동적 농도를 정확하게 모니터링 할 수 이것은 큰 장점을 제공합니다. 간질 ATP 농도는 두 개의 마이크로 전극의 조합, ATP 센서 및 null 센서를 사용하여 측정된다. 카탈라제 애플리케이션과 함께 널 센서 간질 H 2 O 2 농도 12을 검출 할 수있다. 다음 프로토콜은 열차의 두 개의 서로 다른 디자인을 사용하여중 생체 또는 생체 내 응용 프로그램에서 최적의 특성을 가지고 RS.
두 가지 설계는 효소 센서 층에 함유 글리세롤 키나제 및 글리세롤 -3- 인산 옥시 다제의 연속 촉매 반응에 기초하고 있으며 ATP의 존재에 의해 구동된다. 생체 외 연구에 사용 된 센서의 세트, H 2 O 2, 최종 효소 반응 생성물에서, 백금 / 이리듐 (PT-IR), 와이어 전극의 산화에 의해 검출된다. 생체 내 연구를위한 센서 대신에 혈액 관류 조직을 위해 설계 중재자 코팅 된 금 전극에 2 O 2의 감소 (H)을 기반으로합니다. 이 논문에 기술 된 두 프로토콜의 방식은 그림 1에서 보여진다. 이 효소 결합 결여 제외 널 센서는 해당 센서 ATP와 동일하다. 따라서, 카탈라제 효소로 H 2 O (2)의 검출에 더하여, 널 센서 MEAsures 비특이적 간섭. ATP 농도는 널이 비특이적 간섭과 ATP 센서 신호로부터 배경 H 2 O 2를 감지 빼서 계산한다. 여러 센서는 해당 널 (null)와 결합 할 때 생체에 대한 아데노신, ionosine, 하이포크 산틴, 아세틸 콜린, 콜린, 글루타민산, 포도당, 젖산, 생체 응용 프로그램이나 아데노신, ionosine을위한 D- 세린 및 하이포크 산틴을 포함하여 다른 분석을 감지 상업적으로 이용 가능하다 센서.
정확하게 분석 물을 검출하는 센서의 기능은 적절한 교정 전후 13에 의존한다. 이 분석은 생물학적 조직의 사용 중에 발생하는 센서의 감도의 편차를 차지하는 것을 보장한다. 센서는 센서 효소 반응에서 시약으로서 사용되는 글리세롤의 저장소를 보유하고있다. 센서를 포함하는 조 글리세롤 용액에 사용되지 않는 경우, 시간이 지남에 따라 세척한다. 짧은 Recording 시간은 센서 드리프트를 최소화 할 필요가있다. 또한 크게 센서 (14)의 감도를 감소시킬 수있는 내인성 단백질 분해 효소 및 단백질 절편으로 오염 센서.
본 원고는 생체 외 및 생체 신장에 효소 제제 미세 바이오 센서의 사용을 설정한다. 실시간 분석 정량 신장 질환 및 약리 에이전트의 메커니즘에 새로운 통찰력을 공개 할 수 세포 신호 전달의 전례가없는 세부 사항을 제공합니다.
실험 동물의 관리 및 사용에 대한 NIH 가이드에 부착 된 다음 동물 절차. 이전 승인 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC)로부터 얻은 것입니다.
참고 : 센서 제조업체 지침의 검토는 실험 설계 및 사용 전에 동안 수행해야합니다. 센서를 사용하는 경우이 지침을 따르는 것은 최적의 결과를 생성합니다.
1. 센서 교정
센서 연구 2. 동물 수술
3. 데이터 수집 설정
4. 데이터 분석
효소 미세 바이오 센서의 설계는 전체 신장의 분석 물질의 실시간 검출 할 수있다. 어느 생체 외 또는 생체 내 연구에서 일반적인 실험 디자인이 사용될도 1 국지적 센서에 도시되고, 수술 절차는 연구 하는가에 따라 달라 생체 외 또는 생체 내에서이다.
재현 가능한 결과, 정확한 사전 및 사후 교정을 얻으려면입니다 중요.도 6a는 교정하는 동안 생체 ATP 센서에서 본 신호의 대표 추적을 보여줍니다. 신속하게 apyrase 참고 ATP 신호를 제거. 카탈라제는 ATP 신호에 미치는 영향은 없습니다이 생성 H 2 O 2 (그림 6B)에 그 특이성을 보여줍니다. 교정 과정에서 VI. ATP의 동적 변경 (도 6A, 오른쪽 패널)을 계산하는 데 사용되는 선형 피팅을 생산VO 센서 교정은 생체 센서와 유사한 트레이스를 생성한다. 그러나,이 센서는 대신에 산화 환원 전류의 검출과 같은 현재의 제조 부정적이다. 이러한 센서의 교정은 0.3-80 μm의 범위에서 선형 피팅 (그림 7A 오른쪽 패널)를 생산하고 있습니다. 다른 퓨린 제품을 통해 ATP에 생체 센서의 특이성은도 7b에 표시됩니다.
여기에 설명 된 접근 방식은 우리가 약물 주입 (12)에 대한 응답으로 내인성 물질 및 급성 변화의 두 기저 수준을 측정 할 수 있습니다. 중앙 그림 11에 표시된 소금 내성과 소금에 민감한 쥐에서 H 2 O 2의 격자 간 내생 농도의 변화 II가 유도. 이 실험을 위해, 스프 라그 돌리 (SD) 또는 달 소금에 민감한 (SS) 쥐에서 갓 격리 신장은 일정 층류 (650 μL / 분)에서 1 μm의 중앙 II로 관류 하였다. 웃음으로WN 그림 11에서, 중앙 II는 SD와 SS 쥐 모두에서 신장의 H 2 O 2의 급성 방출을 유도한다. 그러나, 각 응답의 최대 진폭이 크게 동물 고염식이 12 먹였다 특히 SS 쥐들에서 증가 하였다. 생체 내에서 바이오 센서의 대표적인 애플리케이션은도 12에 도시. 카탈라아제 (5 μg의 / ㎖) 바이오 센서에 의해 감지 완전히 차단 H 2 O 2 신호의 주입. 이들 실험은 약물 학적 중재에 응답하여 내인성 물질 및 그 해제의 실시간 측정의 기초 수준의 검출을위한 전류 측정 기법과 결합 된 특정 효소 바이오 센서의 사용을 예시한다. 이 방법의 또 다른 응용 프로그램이 소금에 민감한 고혈압 같은 신장 병리에 대한 지식과 이해를 향상시킬 수 퓨린 신호 및 과산화수소의 역할을 연구, 신장 황소idative 스트레스와 만성 신장 질환.

프로토콜의 그림 1. 도식. 관심의 분석과 특이성 테스트와 교정 실험의 시작 직전에 이루어집니다. 생체 프로토콜은 복잡한 생리 학적 실험과 약물 학적 응용 프로그램에 대한 생체 추적 관찰해야한다. 포스트 실험 교정 수행 및 데이터 분석시 고려되어야한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2. 효소 바께 미세 센서. 두생체 응용 프로그램에 사용되는 센서의 크기는 50 μm의 125 μm의 직경을 표시됩니다. 각각의 센서는 금 와이어 단부 커넥터에 연결하는 모세관 튜브 내로 연장 (미도시). 삽입 된 ATP 검출을위한 효소로 코팅 된 센서 팁을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3. 듀얼 채널 텐쇼. 채널 1과 채널을 표시 텐쇼 채널. 1) CH1 ATP 센서 연결 및 2) CH2 전기적 기준 전극에 연결된다 널 센서 연결 3) 연결. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
FO 엉덩이 = "jove_content"유지 - together.within 페이지 = "항상"> 
그림 4. 센서 셋업은. 데이터 수집은 전기적 잡음을 줄이기 위해 패러데이 케이지 및 무진동 가공면 고성능 실험실 테이블에서 수행된다. 1) 온도 조절 수술대를 미세 조작기가 광원은 수술 절차와 센서 삽입 4에 필요한 실험 3) 동안 센서의 유연한 위치 결정을위한 자기 장착 어댑터에 연결된) 생리 학적 실험 2 중에 동물의 체온을 유지하기 위해 사용되는 ) 듀얼 채널 텐쇼 5) 센서 홀더. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
p_upload / 53059 / 53059fig5.jpg "/>
그림 5. 순환 전압 전류 법은. 생체 연구의 경우, 센서 순환 전압 전류는 -0.5 전에 교정 프로토콜 0.5 V 사이에서 10 사이클을 실시한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6. 생체 외 Amperometry 대한 보정. (A)는 교정 욕 용액에 공지 된 ATP 농도의 첨가를 사용한다. 점근선 레벨 (블랙 추적)에 기록 전류 측정 값을 해당. 얻어진 전류는 교정 방정식을 만들 수 있습니다. 예는 오른쪽 패널에 표시됩니다. 빨간 추적은 curre입니다H 2 O 2의 첨가 반응 널 센서 NT. (B) 상기 널 센서 조 용액 및 전류 측정 값이 기록되는 점근선 (얇은 검은 화살표)에 알려진 H 2 O 2 농도 (적색 화살표)의 추가로 교정된다. 목욕 솔루션 (두꺼운 검은 색 화살표)에 카탈라아제의 추가는 빠른 현재의 붕괴가 발생합니다. 오른쪽 패널은 널 센서 보정 방정식을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7. 대한 Amperometry 교정]. 생체 전극의 생체 내 보정이 환원 반응을 제외한 생체 연구에서 그 상세에 유사한 방식으로 역방향 전류 (극성) 원인을 행한다. (A) 공지 된 ATP 농도의 첨가는 ATP 센서 (검은 색 트레이스)에 전류계 전류를 생성하지만 널 센서 (적색 트레이스)에 아무런 영향을 미치지 않는다. apyrase 첨가 ATP 센서의 전류를 소멸시킨다. (B) ATP 센서의 특이성은 다른 퓨린 제제 (UTP, UDP 및 아데노신) 10 μM의 첨가에 의해 확인된다. ATP의 또 다른 응용 프로그램은 안정된 검출 전류 측정 전류를 제공한다. 중재자 코팅 된 금 전극에 따라 생체 센서 (C)의 현미경 사진. 이 figu의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오다시.

그림 8. 신장 컵은. 생체 내 연구에서, 신장은 여전히 표시 스테인레스 스틸 신장 컵을 사용하여 개최됩니다. 컵의 크기는 두 개의 신장 크기 변화를 수용하기 위해 사용된다. 이 컵은 동물의 호흡에 의해 생성 된 운동 아티팩트를 줄일 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 9. 예 생체 절연 및 관류 신장은. 격리 된 신장은 두꺼운 실리콘으로 코팅 1) 페트리 접시에 배치됩니다핀 삽입 2) 신동맥은 실험 3) ATP 센서 동안 일정하게 관류 용 시린지 펌프에 삽관 및 부착을위한 licone 하단에는, 4) 및 널 센서 신장 5) 기준 전극을 침지 신장 근처에 배치되어 삽입된다 목욕 솔루션으로. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

생체 혈액 관류 신장에서 그림 10. 왼쪽 신장이 노출과 신장 컵에 위치 (A)는, 오른쪽 신장은 동물 내부에 그대로 유지됩니다. 두 센서는 신장에 삽입된다. BSA : 염화나트륨은 유체 손실이 B를 발생 대응하기 위해 카테터 경정맥을 통해 주입된다Y 1), 신장은 신장 컵 2) ATP 센서 (3)) 널 센서 4) 기준 전극에 의해 유지되는 직접적인 약리 애플리케이션 이식 간질 카테터와 생체 내 실험의 큰 중간 라인 절개 (B) 실시 예는 삽입 층류 약물 주입 용 연동 펌프에 신장에 이식 및 장착 된 신장 5) 카테터의 복부 표면에. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

H 2의 그림 11. 생체 외 분석 서브> 신장 O (2). 중앙 II 관류는 H에게 쥐의 신장 피질에서 2 O 2 방출됩니다. (A) 평균의 실시간 변경 N = 8 응용 프로그램의 총 H 2 O 2 농도 (회색 막대는 표준 오차를 표시) (4 다른 쥐 4 신장). 상단 바 중앙 II 응용 프로그램을 나타냅니다. (나) 최대 H는 스프 라그 돌리 (SD)와 달 소금에 민감한 (SS) 쥐에 대한 중앙 II 관류 동안 2 O 2 농도의 진폭 값은 각각 낮은 및 높은 소금 다이어트를 공급. * - P <SD 쥐에 비해 0.05. 그림이 권한 참조 (12)로부터 구성된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
/files/ftp_upload/53059/53059fig12.jpg "/>
(그림 10B 참조) H의 생체 분석 간질 (H)의 생체 내 평가 2 O 2. 예 그림 12. SS 쥐의 골수에서 2 O 2 농도가 낮은 소금 다이어트를 공급. 5 분 간격 이식 카테터를 통해 카탈라아제의 간질 응용 프로그램은 신장 수질에서 H 2 O 2 신호의 완전한 봉쇄를 생산했다. 신장 혈액의 흐름에 의해 세척에서 카탈라아제의 감소, 추가 카탈라아제 응용 프로그램 (10 분)에 의해 다시 차단 된 신호의 부분 복구 결과. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이 원고의 비디오 녹화 센서는 Sarissa 생명 한정판 (코번 트리, 영국)에 의해 제공되었다.
효소 마이크로전극 바이오센서는 생물학적으로 관련된 농도에서 세포 외 세포 신호를 실시간으로 측정할 수 있습니다. 다음 프로토콜은 바이오센서의 적용을 신장에서 ATP 및H2O2의 생체 외 및 생체 내 검출로 확장합니다.
우리는 본 논문에 사용 된 센서를 개발에 자신의 작품에 대한 Sarissa의 생명을 주셔서 감사합니다. 이 연구는 국립 심장, 폐에 의해 지원되었다, 및 혈액 연구소는 HL108880 (A. Staruschenko)를 부여, HL 116,264 (A. 카 울리) 및 HL 122,662 (A. Staruschenko 및 A. 카 울리)의 의과 대학 재정 지원 사업 위스콘신 연구 업무위원회 # 9306830 (O. Palygin)과 건강한 위스콘신 연구 및 교육 프로그램 # 9520217를 전진, 국립 신장 재단의 젊은 연구자 그랜트 (O. Palygin).
| 센서 키트 | Sarissa Biomedical | SBK-ATP-05-125 | 이 키트에는 저장 병, 재수화 챔버, 전극 리드 및 참조 전극이 포함되어 있습니다. 또한 키트에는 사용자가 선택할 수 있는 센서가 포함되어 있습니다. |
| Sarissaprobe ATP 바이오센서 125 μ m | Sarissa Biomedical | SBS-ATP-05-125 | 사용 전 2-8 oC에서 보관 |
| Sarissagold ATP Biosensor 50 μ m | Sarissa Biomedical | SGS-ATP-10-50 | 사용 전 2-8 oC에서 보관 |
| Sarissaprobe null 센서 125 μ m | Sarissa Biomedical | SBS-NUL-20-125 | 사용 전 2-8 oC에서 보관 |
| Sarissagold 널 센서 50 μ m | Sarissa Biomedical | SGS-NUL-10-50 | 사용 전 2-8 oC에서 보관 |
| Sarissaprobe ATP 매뉴얼 | Sarissa Biomedical | http://www.sarissa-biomedical.com/media/31563/instructions-atp.pdf | |
| 패러데이 케이지 | TMC | ||
| 듀얼 채널 전위차조절기 | Digi-Ivy | DY2021 | Type II 패러데이 케이지 |
| 데이터 수집 프로그램 | Digi-Ivy | DY2000 | |
| 관류 펌프 | Razel Scientific Instruments | 모델 R99E | |
| 광섬유 조명기 | Schott | ACE 1 | |
| 미세 조작기 | Narishige | MM-3 | |
| 마이크로 매니퓰레이터 마그네틱 스탠드 | Narishige | GJ-8 | |
| 에어 테이블 | TMC | 63-500 | |
| 이소 플루란 인공 호흡기 | LEI Medical | M2000 | |
| 3ml 페트리 접시 | Fisher Scientific | S3358OA | |
| 바늘 | 산타 크루즈 | 26-30G | |
| 핀 | 표준 해부 핀 | ||
| 카테터 | 폴리에틸렌 튜브 (PE50) | ||
| 카테터 조직 접착제 | Vetbond | 1469SB | |
| 봉합사 | SP117 | ||
| 고무 밴드 | 2-4mm 너비의 고무 밴드 | ||
| 실리콘 | Momentive | RTV-615 Clear 1# | |
| clamp | Fine Science Tools | 18052-03 | |
| 표준 해부 키트 | 키트에는 메스와 해부 시저가 포함되어야 합니다 | ||
| 자체 설계 | 표준 화학 물질의신장 컵 | ||
| : 시그마 - 알드리치 | |||
| ATP | 시그마 - 알드리치 | A6559-25UMO | 100 mM ATP 용액 |
| 과산화수소 | 시그마 - 알드리치 | 216763 | |
| 글리세롤 | 시그마 - 알드리치 | G9012 | |
| 아피 라제 | 시그마 - 알드리치 | A7646 | |
| Catalase | Sigma-Aldrich | C40 | |
| isoflurane | Clipper | 10250 | |
| inactin | Sigma-Aldrich | T133 | |
| 케타민 | Clipper | 2010012 | |
| Hanks Balanced Salt Solution | Gibco | 14025092 |