체외에서 흥분성 세포의 반응을 연구하기 위해 이 프로토콜은 유전적으로 조작된 tet-on 스파이킹 HEK 세포의 간단한 흥분성 세포 모델에 대한 전기천공으로 인한 활동 전위 생성의 변화와 관련 매개변수의 자동 추출을 통한 막관통 전압의 변화에 대한 광학 모니터링을 설명합니다.
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체외에서 흥분성 세포의 반응을 연구하기 위해 이 프로토콜은 유전적으로 조작된 tet-on 스파이킹 HEK 세포의 간단한 흥분성 세포 모델에 대한 전기천공으로 인한 활동 전위 생성의 변화와 관련 매개변수의 자동 추출을 통한 막관통 전압의 변화에 대한 광학 모니터링을 설명합니다.
신경 세포 및 근육 세포와 같은 흥분성 세포는 빠르게 부상하는 전기천공법 기반 치료의 주요 표적이 될 수 있습니다. 그러나 주요 표적이 아닌 치료법에서도 전기 펄스의 영향을 받을 수 있으며 이는 부작용을 유발할 수 있습니다. 따라서 흥분성 및 비흥분성 조직의 전기천공법 기반 처리를 최적화하기 위해서는 흥분성 세포, 이온 채널 및 흥분성에 대한 전기 펄스의 영향을 in vitro에서 연구할 필요가 있습니다. 이를 위해 유전자 조작 tet-on 스파이킹 HEK 세포의 간단한 흥분성 세포 모델에서 전기천공으로 인한 활동 전위 생성의 변화를 광학적으로 모니터링하기 위한 프로토콜이 개발되었습니다. 형광 전위차 염료를 사용하여 형광 현미경으로 막관통 전압의 변화를 모니터링하고, MATLAB 응용 프로그램을 사용하여 세포 반응의 관련 파라미터를 자동으로 추출했습니다. 이러한 방식으로 서로 다른 전기 펄스에 대한 흥분성 세포 반응과 여기와 전기천공법 간의 상호 작용을 효율적으로 평가할 수 있습니다.
electroporation에서 고전압 전기 펄스는 투과성이 좋지 않은 분자에 대한 원형질막 투과성을 증가시킵니다1. 전기천공법(Electroporation) 기반 기술은 요즘 의학2, 생명 공학3 및 식품 기술4 분야의 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
뉴런 세포(neuronal cell) 및 근육 세포(muscle cell)와 같은 흥분성 세포(excitable cell)는 심장, 뇌 및 골격근에서 빠르게 부상하는 전기천공법(electroporation) 기반 치료의 주요 표적 중 하나입니다5. 더욱이, 주요 표적이 아닌 치료법에서도 전기 펄스의 영향을 받을 수 있으며, 이는 통증, 근육 경련 및 신경 손상과 같은 부작용을 유발할 수 있습니다6. 즉, 전기 펄스는 흥분성 세포에 전기 자극을 유발할 수 있습니다: 전기 펄스는 전압 의존성 이온 채널을 활성화하고 활동 전위(AP)를 트리거합니다. 그러나 더 높은 전기장에서는 세포의 원형질막이 투과화되고 기공/결함을 통한 추가 이온 전류가 발생합니다7. 이 추가 이온 전류는 여기(excitation)와 전기천공(electroporation) 사이의 복잡한 상호 작용에서 세포 흥분성에 영향을 미칩니다. 따라서 흥분성 및 비흥분성 조직의 전기천공법 기반 처리를 최적화하기 위해서는 흥분성 세포, 이온 채널 및 흥분성에 대한 전기 펄스의 영향을 in vitro에서 연구할 필요가 있습니다.
최근 연구8에서는 Cohen 등이 개발한 유전자 조작 인간 배아 신장(HEK) 세포를 탐구했습니다.9,10 이는 흥분성 세포의 전기천공을 연구하기 위한 귀중한 도구입니다. 이러한 그렇지 않으면 흥분할 수 없는 세포에서 흥분성에 필요한 나트륨 및 칼륨 채널(NaV1.5 및 Kir2.1)의 최소 보체가 발현됩니다. 이러한 세포에서 Kir2.1의 발현은 두 가지 세포 변이체, 즉 흥분성 스파이킹 S-HEK(NaV1.5 및 Kir2.1 포함) 및 비흥분성 비스파이킹 NS-HEK 세포(NaV1.5 채널만 포함)의 확립을 허용하는 독시사이클린 유도 tet-on 시스템에 의해 제어됩니다. 이를 통해 동일한 유형의 세포의 흥분성 및 비흥분성 변형에 대한 전기 펄스의 효과를 비교할 수 있습니다. 분리된 1차 흥분성 세포, 배아 또는 유도 만능 줄기세포에서 분화된 흥분성 세포, 흥분성 조직에서 유래한 세포주와 비교했을 때, S-HEK 세포는 다루고, 배양하고, 증식하기 쉽고, 나트륨 및 칼륨 채널이 잘 정의되어 있으며, 강력한 AP를 생성한다는 등 여러 가지 장점이 있다8.
우리는 형광 전위차 염료를 사용하여 다양한 진폭의 전기 펄스에 의해 트리거되는 막횡단 전압(TMV)의 변화를 모니터링하기 위한 프로토콜을 설계했습니다. 이러한 방식으로 전기천공법이 S-HEK 세포의 AP 생성에 어떤 영향을 미치고 S-HEK 및 NS-HEK 세포 모두에서 TMV의 다른 변화에 영향을 미치는지 연구할 수 있습니다. 간단히 말해서, S-HEK 또는 NS-HEK 셀은 2분마다 단일 100μs 전기 펄스에 노출되며, 각 펄스 응용 분야에서 약 3초 동안 형광의 상대적 변화가 기록됩니다. 적용된 펄스는 전압이 증가하여 먼저 셀에서 AP를 트리거하고 더 높은 전기장에서 전기천공을 유발합니다. 펄스 적용 사이의 2분 간격은 연속 펄스의 가능한 누적 효과를 최소화하는 동시에 실험을 세포를 악화시키지 않을 만큼 충분히 짧게 유지하기 위해 선택되었습니다. 이미지 처리는 맞춤형 MATLAB 응용 프로그램으로 자동화되어 전위차 염료의 형광 반응의 관련 매개변수를 추출하여 S-HEK 및 NS-HEK 세포에서 TMV(AP 및 전기천공으로 인한 지속적인 탈분극)의 변화를 평가했습니다.
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1. 시약 준비 및 세포 배양
2. 시료 준비
3. Electrostimulation 및 electroporation
4. 데이터 분석
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전기 펄스에 의해 트리거된 체 외 흥분성 세포의 TMV 변화는 이 프로토콜을 사용하여 광학적으로 모니터링할 수 있으며, 형광 신호를 분석하여 관련 매개변수를 추출할 수 있습니다.
실험 설정은 그림 1A에 나와 있습니다. 실험에 사용되는 100μs 전기 펄스의 일반적인 신호는 그림 1B에 나와 있습니다. 현미경 아래에 배치된 챔버의 세포는 일반적으로 그림 1C (명시야 이미지) 및 그림 1D (형광 이미지)의 세포와 비슷합니다. 우리는 2분마다 전압이 증가하는 전기 펄스가 동일한 셀에 적용되는 실험을 수행합니다. 2분의 인터펄스 시간은 특히 눈에 띄는 전기천공법과 관련된 가장 높은 진폭의 펄스를 사용할 때 세포막의 완전한 재밀봉 및 복구를 허용하기에 충분...
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S-HEK 세포는 나트륨 및 칼륨 채널이 잘 정의된 단순한 흥분성 세포 모델로, NaV1.5 및 Kir2.19 입니다. 이를 통해 여기성 세포가 적용된 전기 펄스에 어떻게 반응하는지에 대한 심층적인 연구를 수행하고 S-HEK 세포에서 발현된 채널의 잘 알려진 이론적 특성을 기반으로 하는 수학적 모델을 기반으로 실험 데이터를 수학적 모델과 연결할 수 있습니다. 이전 연구8에서 우리는 E가 증가하는 100μs 펄스에 대한 이러한 세포의 반응을 실험적으로나 이론적으로 설명했습니다. E가 낮을수록 S-HEK 세포는 단일 또는 다중 활동 전위로 반응하는 반면, E가 높을수록 AP가 연장되어 지속적인 탈분극으로 변환됩니다. 지속적인 탈분극은 이러한 세포의 비흥분성 버전(NS-HEK)에서도 명확하게 볼 수 있기 때문에 전기천공법 및 이와 관련된 비선택적 이온...
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저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
이 작업은 슬로베니아 연구 혁신국(ARIS)의 연구 프로그램 P2-0249, 인프라 프로그램 I0-0022 및 연구 프로젝트 J2-2503의 지원을 받았습니다. 이 연구는 ARIS와 류블랴나 대학교(University of Ljubljana)가 스타트업 연구 프로그램에 대한 자금 지원을 통해 부분적으로 지원했습니다. 이 작업은 MN-0023 프로젝트 내에서 NextGenerationEU 및 NOO 자금 지원을 통해 유럽 연합과 ARIS의 일부 지원을 받았습니다. 이 작업은 ERC Starting Grant(No. 101115323 - REINCARNATION)와 Marie Skłodowska-Curie 펠로우십(No. 893077 - EPmIC)을 통해 유럽 연합의 일부 지원을 받았습니다. 그러나 표현된 견해와 의견은 저자의 견해일 뿐이며 반드시 유럽 연합 또는 유럽 연구 위원회의 견해와 의견을 반영하는 것은 아닙니다. 유럽 연합이나 부여 기관은 이에 대해 책임을 지지 않습니다. 저자는 텟온 스파이킹 HEK 세포를 친절하게 제공해 준 하버드 대학의 Adam E. Cohen 그룹과 세포 배양 실험실에서 도움을 준 Duša Hodžić 그룹에 감사드립니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 튜브 | Ratiolab | 5615000 | |
| 2-well Nunc Lab-Tek II 챔버 #1.5 독일 커버글라스 시스템 | Thermo Fisher Scientific | ||
| ADP305 차동 전압 프로브 | Teledyne LeCroy | ||
| AP015 전류 프로브 | Teledyne LeCroy | ||
| Blasticidin | 써모 피셔 사이언티픽 | ||
| CO2 인큐베이터 | PHCbi | MCO -230AICUV | |
| 독시사이클린 | 시그마-알드리치/머크 | D9891 | |
| 둘베코 s 모디피드 이글' s 중간 고포도당 성장 매체 | Sigma-Aldrich/Merck | D5671 | |
| ElectroFluor630 (Di-4-ANEQ(F)PTEA | )potentiometric probes | 31795 | |
| Fetal bovine serum | Sigma-Aldrich/Merck | F2442 | |
| Geneticin | Thermo Fisher Scientific | ||
| 글루타민 | 시그마-알드리치/머크 | G7513 | |
| 층류 후드 | Ikra Pio | MC 15-2 | |
| MATLAB | Mathworks | ||
| 페니실린– 스트렙토마이신 | 시그마-알드리치/머크 | P07681 | |
| 폴리-L-라이신 하이드로브로마이드 | 시그마-알드리치/머크 | P9155-5MG | |
| 펄스 발생기 | 맞춤 제작 | 참조 참조11 | |
| Puromycin | Thermo Fisher Scientific | ||
| T25 25cm² 조직 배양 플라스크 | TPP | 90026 | |
| Tet-on 스파이킹 HEK 세포 | American Type Culture Collection ATCC | CRL-3479 | |
| Thunder Imager Live Cell system for fluorescence microscopy | Leica Microsystems | ||
| 트립신-EDTA 솔루션 | Sigma-Aldrich/Merck | T3924 | |
| WavePro 7300A 오실로스코프 | Teledyne LeCroy |
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