Opisano wytwarzanie, kalibrację oraz zastosowanie nieinwazyjnych sond wibracyjnych do pomiaru prądu bioelektrycznego w różnych systemach biologicznych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Opisano wytwarzanie, kalibrację oraz zastosowanie nieinwazyjnych sond wibracyjnych do pomiaru prądu bioelektrycznego w różnych systemach biologicznych.
Pola elektryczne, generowane przez aktywny transport jonów, występują w wielu systemach biologicznych i często pełnią istotne funkcje w tkankach i narządach. Odgrywają one na przykład ważną rolę w kierowaniu migracją komórek podczas gojenia ran. W niniejszej pracy opisujemy wykonanie i zastosowanie ultrasensytywnych sond wibrujących do pomiaru pozakomórkowych prądów elektrycznych. Sonda stanowi izolowany, zaostrzony metalowy drut z niewielką końcówką pokrytą platyną aktywną (30-35 μm), która umożliwia wykrywanie prądów jonowych w zakresie μA/cm2 w soli fizjologicznej. Sonda jest wprowadzana w drgania z częstotliwością około 200 Hz za pomocą piezoelektrycznego elementu gnącego. W obecności prądu jonowego sonda wykrywa różnicę potencjałów między skrajnymi punktami swojego ruchu. Wzmacniacz synchroniczny (lock-in) odfiltrowuje zakłócenia poprzez synchronizację z częstotliwością drgań sondy. Dane są rejestrowane za pomocą komputera. Sonda jest kalibrowana na początku i na końcu eksperymentów w odpowiednim roztworze soli, przy użyciu komory, która przykłada prąd o wartości dokładnie 1,5 μA/cm2. Opisujemy sposób wykonania sond, konfigurację systemu oraz procedurę kalibracji. Prezentujemy również technikę pomiaru w rogówce oraz przedstawiamy reprezentatywne wyniki uzyskane z różnych preparatów (rogówka, skóra, mózg).
1. Wytwarzanie sond
Sondy niepowlekane są kupowane od World Precision Instruments (mikroelektrody z elgiloy/stali nierdzewnej powlekane parylenem) (patrz „Tabela konkretnych odczynników i sprzętu” poniżej). Sondę odcina się 25-30 mm za końcówką, a następnie około 5 mm izolacji z parylenu na przeciętym końcu zdrapuje się skalpelem (ostrze nr 11), aby zapewnić dobre połączenie. Sonda jest montowana w złotym złączu R30 przy użyciu przewodzącej elektrycznie żywicy epoksydowej z dodatkiem srebra (np. Rite-Lok SL65) [*patrz uwaga poniżej]. Sondę przechowuje się przez noc w temperaturze pokojowej, aby żywica epoksydowa stwardniała. Następnie końcówkę sondy powleka się złotem, a potem platyną, używając zasilacza nanoamperowego. Końcówkę sondy płucze się w acetonie i podłącza do ujemnego wyjścia zasilacza nanoamperowego. Końcówkę sondy ogląda się pod mikroskopem stereotypowym (x40) i umieszcza najpierw w roztworze do złocenia (dicyjanoauran potasu (0,2% w/v KAu(CN)2 w wodzie destylowanej (dH2O))). Obwód zamyka drut referencyjny podłączony do wyjścia dodatniego i umieszczony w roztworze. Prąd 5 nA przykłada się przez 5 min, a następnie zwiększa do 20 nA, aż końcówka osiągnie około połowę pożądanego rozmiaru końcowego (około 10-15 μm). Końcówkę sondy płucze się w dH2O, a następnie umieszcza w roztworze do platynowania (uwodniony kwas chloroplatynowy; 1% w/v H2PtCl6 * 6H2O) z dodatkiem trihydratu octanu ołowiu(II) (0,1% w/v Pb(CH3CO2)2 * 3H2O w dH2O). Prąd 250 nA przykłada się przez 5 min, a następnie zwiększa do 500 nA, aż końcówka osiągnie około 80% pożądanego rozmiaru końcowego. Prąd zwiększa się do 1 μA i przykłada w 1-sekundowych impulsach, aż do uzyskania końcowej średnicy końcówki (około 30-35 μm). Na koniec końcówkę płucze się w dH2O. Sondy można przechowywać w temperaturze pokojowej w nieskończoność. W przypadku uszkodzenia sond, złote złącza R30 można wykorzystać ponownie.
[* Uwaga: W niektórych systemach sond mocowanie sondy jest połączone bezpośrednio ze wzmacniaczem w celu przesyłania sygnału. Inne systemy posiadają oddzielny punkt mocowania i złącze sygnałowe. W tym drugim przypadku, przed montażem sondy, do pierwszego złącza R30 przylutowuje się krótki (2-3 cm) przewód ze złączem R30 na jednym końcu (patrz Rysunek 2A).]
2. System sond
Sonda jest przymocowana do piezoelektrycznego elementu zginającego zamontowanego na trójwymiarowym mikro-pozycjonerze (Rysunek 1). Drgania sondy są kontrolowane przez zasilacz sondy wibracyjnej, który umożliwia również regulację amplitudy i częstotliwości drgań. Zasilacz sondy przesyła sygnał referencyjny do wzmacniacza lock-in, który wyświetla także częstotliwość drgań i kąt fazowy. Przydatne jest również podłączenie oscyloskopu, aby uzyskać szybki podgląd wizualny drgań sondy. Sygnał z sondy trafia do wzmacniacza lock-in. Sondę oraz mierzoną próbkę można obserwować za pomocą stereomikroskopu (powiększenie od x6 do x40) z oświetleniem światłowodowym. Podczas kalibracji i pomiarów próbek w roztworze muszą znajdować się elektroda referencyjna oraz przewód uziemiający (patrz Rysunek 2B). Wzmacniacz jest połączony z komputerem poprzez interfejs analogowo-cyfrowy (wejście/wyjście). Dane są rejestrowane za pomocą programu Whole Cell z oprogramowania Strathclyde Electrophysiology Software (WinWCP).
Ustawienia wzmacniacza blokującego: Czułość [200 μV], Rozdzielczość dynamiczna [normal], Offset [on], Expand [x1], Stała czasowa: pre [10 s], post [0.1 s]. Jeśli wymagana jest szybsza odpowiedź, stałą czasową pre można zmniejszyć do 3 s. Sterowanie offsetem służy do przesunięcia śladu sondy w pobliże środka ekranu. W przypadku oczekiwania dużych odpowiedzi, ślad można przesunąć w górę lub w dół.
Ustawienia oprogramowania WCP: Czas rejestracji [204.8 s], Próbki na kanał [1024], Interwał próbkowania [0.2 s], Zakres napięcia [+/- 0.2 V]. W przypadku przewidywanych dużych natężeń prądu zakres napięcia można zwiększyć do 1 V lub 5 V.
3. Ustawienia sondy
Nowe sondy muszą zostać przetestowane w celu określenia ich unikalnej częstotliwości i kąta fazy. Nową sondę umieszcza się w komorze kalibracyjnej zawierającej sól fizjologiczną (Rysunek 2B). Włącza się zasilacz i zwiększa częstotliwość, aż do zaobserwowania maksymalnych wibracji. Jest to częstotliwość rezonansowa sondy. Używanie sondy przy tej częstotliwości może powodować niestabilność i generować szumy w zapisie, dlatego sondę „odstraja się”, odejmując 10 Hz, aby uzyskać roboczą częstotliwość sondy (zazwyczaj 150-200 Hz). Amplitudę drgań dostosowuje się tak, aby odległość wibracji sondy była taka sama jak średnica końcówki, tak aby podczas wibracji sondy widoczny był „podwójny obraz” jej końcówki (patrz Rysunek 2B). Aby określić kąt fazy, sondę umieszcza się w soli fizjologicznej w komorze kalibracyjnej i wielokrotnie przykłada prąd o natężeniu 1,5 μA/cm2. Kąt fazy w detektorze synchronicznym reguluje się do momentu ustania odpowiedzi. Dodanie lub odjęcie 90° do tego kąta daje maksymalną odpowiedź; kąt ten stanowi roboczy kąt fazy sondy. Częstotliwość i kąt fazy dla każdej sondy są zapisywane do późniejszego wykorzystania. Podczas eksperymentu ważne jest, aby nie zmieniać tych ustawień częstotliwości, amplitudy i kąta fazy, ponieważ zmieni to odpowiedź sondy. Dla wygody, gdy prąd płynie z kierunku „Południe-Północ”, powinno to powodować odchylenie w górę (określane tutaj jako „peak”) w zapisie, a prąd płynący z kierunku „Północ-Południe” powinien powodować odchylenie w dół (patrz Rysunek 3A). Jeśli kierunek jest odwrotny, dodanie 180° do kąta fazy naprawi to poprzez odwrócenie odpowiedzi. Szczegółowe informacje na temat teorii działania sondy, kalibracji itp. znajdują się w pracy Reid et al.1
Kalibracja: Do obliczenia natężenia prądu w próbce wykorzystuje się odpowiedź sondy na „standardowy” prąd o wartości dokładnie 1,5 μA/cm2, przyłożony do sondy w komorze kalibracyjnej (patrz Rys. 2B, 3A). Przed pomiarem próbki sondę kalibruje się w odpowiednim roztworze, np. BSS+ Artificial Tear Solution w przypadku rogówki. Prąd przykłada się w dwóch kierunkach: z południa na północ oraz z północy na południe, co powoduje odpowiednio wychylenie w górę i w dół, odpowiadające prądom wychodzącym i wchodzącym, w zależności od orientacji próbki. Zapis z sondy powinien mieć stabilną linię bazową i niski poziom szumów (por. Rys. 3A i 3B). Sondę kalibruje się na koniec eksperymentu w zużytym roztworze, aby skompensować zmianę osmolalności wynikającą z parowania. Podczas analizy danych pomiary z pierwszej połowy eksperymentu można obliczyć, korzystając z początkowych wartości kalibracji, a pomiary z drugiej połowy – na podstawie kalibracji końcowej.
Pomiar próbki: Konieczne może być zaprojektowanie komory do utrzymania i unieruchomienia próbki. Na przykład rycina 3C przedstawia szalki Petriego z drucianymi pętlami do mocowania oczu podczas pomiarów rogówki. Szalkę zawierającą sól fizjologiczną umieszcza się pod mikroskopem stereoskopowym, a obszar próbki budzący zainteresowanie ustawia się w polu widzenia. Następnie sondę umieszcza się w roztworze i orientuje równolegle do powierzchni próbki, ustawiając ją również w ognisku, tak aby znajdowała się na tym samym poziomie co punkt na próbce przeznaczony do pomiaru. Sondę odsuwa się od próbki na dogodną odległość (np. 1-2 cm), włącza wibracje (i ustawia oprogramowanie komputerowe na rejestrację), aby ustalić stabilną (poziomą) linię bazową (patrz rycina 4A). Następnie sondę przesuwa się do pozycji pomiarowej, około 50 μm od powierzchni. Gdy nowa wartość („szczytowa”) stanie się stabilna, sondę przesuwa się z powrotem do pozycji referencyjnej, a zapis powraca do linii bazowej. Procedurę tę można powtarzać w regularnych odstępach czasu w celu uzyskania danych timelapse lub lekko przesuwać/obracać próbkę i powtarzać pomiary w różnych pozycjach, aby uzyskać dane z mapowania przestrzennego prądu (patrz rycina 4B, 5B).
Analiza danych: Dane są analizowane przy użyciu programu WinWCP (patrz Rysunek 5A). Poziomą czerwoną linię „zera” przesuwa się w górę lub w dół tak, aby była równoległa do linii bazowej zapisu przed pomiarowym pikiem. Pionową zieloną linię pomiarową przesuwa się wzdłuż linii bazowej zapisu. Odczyt wynikowy w kolorze zielonym na dole zielonej linii powinien być bliski zeru (np. 0,00012). Liczba ta wskazuje różnicę między punktem przecięcia linii czerwonej i zielonej a niebieskim zapisem. Następnie linię czerwoną przesuwa się w górę, aż będzie równoległa do szczytu piku. Zielony odczyt wynikowy stanowi wysokość piku w mV. Dane dla wszystkich pików pomiarowych oraz dane kalibracyjne wprowadza się do szablonu arkusza Microsoft Excel (patrz Tabela 1). W arkuszu można również umieścić istotne informacje, takie jak data, numer sondy, zakres napięcia (VR), użyty roztwór, pozycje pomiarowe, punkty czasowe itp. Odnotowuje się kierunek przepływu prądu (do wnętrza lub na zewnątrz próbki: „i/o”), a prądom skierowanym do wnętrza przypisuje się wartość ujemną w kolumnie „peak”. Natężenie prądu w prawej kolumnie oblicza się według wzoru: current=peak*(1.5/calibration), gdzie 1,5 to natężenie prądu w μA/cm2 zastosowane podczas kalibracji. Zatem: „unw1“=12,45*(1,5/56,12)= 0,33276907 μA/cm2.
4. Klucze do sukcesu
Jak w całej elektrofizjologii, prawidłowe uziemienie kluczowego sprzętu pomaga wyeliminować szumy. Z tego względu należy uziemić co najmniej mikro-pozycjoner i obudowę mikroskopu, a być może również źródło światła (patrz Rysunek 1). Użytkownik również może być źródłem elektryczności statycznej, dlatego w niektórych przypadkach uziemienie za pomocą opaski na nadgarstek może zapobiec niestabilności sondy, choć nie zawsze jest to konieczne. Klatka Faradaya nie jest wymagana, ponieważ wzmacniacz lock-in odfiltrowuje wszystkie częstotliwości (np. 60 Hz z sieci elektrycznej) poza częstotliwością, z jaką wibruje sonda. Stół wibroizolacyjny jest przydatny, ale nie niezbędny; równie dobrze sprawdzi się solidna, stabilna ława lub stół. Poza podstawowymi informacjami w arkuszu Excel (patrz powyżej), warto zapisywać w dzienniku laboratoryjnym dodatkowe istotne dane, takie jak zmiany temperatury, dodawanie leków itp. W przypadku wykonywania fotografii przez mikroskop należy odnotować powiększenie. Jeśli jest to odpowiednie, warto również narysować schemat próbki lub próbek, wskazując pozycję i/lub orientację pomiarów sondy (patrz Rysunek 6).
Krytyczne etapy
Rozwiązywanie problemów
5. Reprezentatywne wyniki
Rysunek 3A przedstawia reprezentatywny przykład krzywej kalibracyjnej. Należy zwrócić uwagę na stabilną (poziomą) linię bazową, niski poziom szumów i dużą odpowiedź. Dla porównania, rysunek 3B pokazuje zaszumioną krzywą z niestabilną linią bazową. Pomiary prądu w różnych pozycjach w ranie rogówki myszy przedstawiono na rysunku 4B. Górny panel pokazuje pozycje sondy, środkowy panel przedstawia zapisy z sondy zarejestrowane przez komputer, a dolny panel stanowi wykres prądów w różnych pozycjach, ukazujący profil prądu rany. Rysunek 5B przedstawia pomiary w ranie skóry myszy wykonane w regularnych odstępach czasu w celu uzyskania danych dotyczących przebiegu czasowego prądu rany.

Rycina 1. System wibrującej sondy. Szczegółowy opis znajduje się w tekście. Niebieski tekst opisuje funkcję przewodów połączeniowych. Zielone symbole wskazują punkty uziemienia.

Rycina 2. A. Montaż sondy. Sonda jest wklejana do złotego złącza R30 za pomocą epoksydy z wypełniaczem srebrowym przed przeprowadzeniem elektroporacji. W niektórych układach przylutowuje się drugie złącze z krótkim przewodem do przesyłania sygnału. Pasek skali 3 mm. Platynowa kulka nie jest w skali. B. Kalibracja sondy. Kalibrator prądu stałego (po lewej) przykłada prąd 1.5 μA/cm2 do sondy w komorze kalibracyjnej (po prawej). Na dole po lewej: powiększenie sondy. Podczas wibrowania sondy (na dole po prawej) amplituda jest regulowana tak, aby widoczny był podwójny obraz wierzchołka. Pasek skali 100 μm.

Rysunek 3. A. Krzywa kalibracji sondy. Przykład prawidłowej krzywej kalibracji sondy, charakteryzującej się stabilną linią bazową, niskim poziomem szumów i dużą odpowiedzią. Prąd płynący z południa na północ powoduje wychylenie w górę, a prąd płynący z północy na południe powoduje wychylenie w dół. B. Niestabilna, zaszumiona krzywa pomiarowa sondy. C. Komory wykonane do montażu oczu myszy (lewa) lub szczura (prawa) w celu wykonania pomiarów rogówki. Pasek skali 5mm.

Rysunek 4. Przykłady pomiarów sondą. A. Stabilna linia bazowa zostaje ustanowiona z sondą w pozycji referencyjnej 1-2 od próbki. Po przesunięciu sondy do pozycji pomiarowej w pobliżu próbki, wykrywa ona prąd, a ślad odchyla się w górę (prąd wypływający). B. Pomiary w różnych pozycjach w obrębie rogówki myszy. Sonda jest zorientowana równolegle do powierzchni, zatem wibracja jest prostopadła. Piki skierowane w górę wskazują prądy wypływające. Maksymalny prąd obserwuje się na krawędziach rany (pozycje B i F). Schemat sondy przedstawiono w pozycji pomiarowej F (prawa krawędź rany). Pasek skali 300 μm.

Rysunek 5. A. Analiza śladów sondy. Panel górny: czerwona linia zera jest przemieszczana w górę lub w dół tak, aby była równoległa do linii bazowej śladu, następnie zielona linia pomiarowa jest przesuwana do linii bazowej, aż odczyt wyjściowy w kolorze zielonym będzie bliski zeru (0.00012). Panel dolny: następnie czerwona linia jest przesuwana w górę, aż stanie się równoległa do szczytu śladu, a odczyt wyjściowy wskazuje wysokość szczytu w mV (12.45). Natężenie prądu oblicza się na tej podstawie, korzystając z danych kalibracyjnych (patrz Tabela 1). B. Dane z lapse-timem gojenia ran skóry myszy. Natężenie prądu przed zranieniem pokazano w czasie zero (symbol czerwony). Pomiary wykonywano w tym samym miejscu rany skóry myszy w regularnych odstępach czasu po zranieniu. Po początkowych przejściowych prądach wewnątrzkomórkowych (poniżej zera), kierunek prądu uległ odwróceniu, a prądy zewnętrznymi (dodatnie) powoli rosły, aż osiągnęły poziom plateau.

Rycina 6. Szkice z dziennika laboratoryjnego przedstawiające pozycje pomiarowe sondy. A. Mózg szczura; czerwone kropki wskazują pozycje pomiarowe, a symbole sond wskazują orientację sondy. B. Rana rogówki szczura; czerwone kropki wskazują pozycje pomiarowe, a strzałki wskazują kierunek mierzonego prądu.

Tabela 1. Przykład arkusza Excel do przechowywania i kwantyfikacji danych z sondy. pN2_cal1 = kalibracja początkowa; cal+ i cal- = wartości kalibracyjne w mV; VR = zakres napięcia, peak = pomiary próbek w mV, i/o = przepływ prądu (do próbki lub z próbki).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Opisujemy niedrogi, prosty, lecz wysoce czuły system sondy wibrującej do nieinwazyjnego pomiaru prądu elektrycznego w różnych systemach biologicznych.
Możliwe modyfikacje
Zastosowania
Sondy wibrującej użyto do pomiaru prądu elektrycznego w: rogówce szczura2; s...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.
Jesteśmy wdzięczni profesorowi Richardowi Borgensowi z Center for Paralysis Research na Purdue University za pomoc w montażu systemu sondy wibracyjnej. Niniejsza praca była finansowana z grantu NEI NIH 1R01EY019101 przyznanego MZ i BR, a także częściowo z grantów California Institute of Regenerative Medicine RB1-01417, NSF MCB-0951199 oraz z nieograniczonego grantu Research to Prevent Blindness, UC Davis Ophthalmology.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Elektroda stalowa Eligoy | World Precision Instruments, Inc. | SSM33A70 | 76 mm, 7 MΩ, końcówka 1-2μm |
| Złącze złote R30 | www.vectorelect.com | R30 | Wielokrotnego użytku |
| Epoksyd z dodatkiem srebra | 3M | SL65 | Mieszanie 1 części żywicy z 1 częścią utwardzacza |
| Mikroskop stereoskopowy | Olympus Corporation | SZ40 | Powiększenie od x6 do x40 |
| Dicyjanoauran(I) potasu (KAu(CN)2) | Sigma-Aldrich | 379867 | UWAGA: Toksyczne |
| Hydrat kwasu chloroplatynowego (H2PtCl6 x 6H2O) | Sigma-Aldrich | 520896 | UWAGA: Toksyczne |
| Trihydrat octanu ołowiu(II) (Pb(CH3CO2)2 x 3H2O) | Sigma-Aldrich | 185191 | UWAGA: Toksyczne |
| Źródło zasilania Nano-Amp | Własna konstrukcja | - | Zasilane sześcioma bateriami 1,5 V (AAA) |
| Trójwymiarowy mikro-pozycjoner | Line Tool Co. | Model H | |
| Wzmacniacz lock-in | Stanford Research Systems | SR530 | |
| Cyfrowy interfejs wejścia/wyjścia (I/O) | National Instruments | PCI-6220 | |
| Ekranowany blok złączy z przyłączami BNC | National Instruments | BNC-2110 | |
| Oprogramowanie do elektrofizjologii Strathclyde | University of Strathclyde Institute of Pharmacy and Biomedical Sciences, UK | WinWCP V4.1.5 | Bezpłatne pobieranie z: http://spider.science.strath.ac.uk/sipbs/software_ses.htm |
| Komora kalibracyjna | Własna konstrukcja | ||
| Kalibrator prądu stałego | Vibrating Probe Company | Zasilany jedną baterią 9 V (PP3) |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.