Ca2+ odgrywa kluczową rolę w transdukcji sygnału komórkowego, regulując różne funkcje komórkowe, takie jak skurcze mięśni1, przewodnictwo nerwowe2, secretion3, oraz ekspresja genów4, wpływając tym samym na wiele procesów fizjologicznych. Nieprawidłowe stężenia Ca2+ mogą prowadzić do chorób takich jak zaburzenia rytmu serca5, zaburzenia krzepnięcia6 i zaburzenia równowagi hormonalnej7. Dlatego badanie mechanizmów wewnątrzkomórkowych zmian stężenia Ca2+ ma ogromne znaczenie.
Różne kanały jonowe są zaangażowane w regulację stężenia Ca2+ w komórkach, w tym wysoce selektywne 2+ sup class="xref">8 i nieselektywne kanały kationowe rodziny TRP9. Te kanały jonowe mogą być aktywowane przez bodźce, takie jak temperatura10, związki i składniki aktywne występujące w tradycyjnej medycynie chińskiej11, odgrywające kluczową rolę w różnych procesach fizjologicznych związanych z Ca2+.
Skuteczne monitorowanie wewnątrzkomórkowych zmian stężeniaCa2+ jest niezbędne do badania kanałów jonowych związanych z Ca2+, szczególnie w dziedzinie tradycyjnej medycyny chińskiej, gdzie regulacja sygnalizacji wapniowej odgrywa kluczową rolę w wielu podejściach terapeutycznych. Obecnie podstawowe metody pomiaru wewnątrzkomórkowego Ca2+ można podzielić na dwa typy: pomiary elektryczne i optyczne. Podejście do pomiaru elektrycznego wykorzystuje technikę patch-clamp do oceny zmian potencjału błony komórkowej spowodowanych 2+ sup class="xref">12.
Podczas pomiarów optycznych, sondy fluorescencyjne specyficznie wiążą się z Ca2+, co pozwala badaczom śledzić zmiany intensywności fluorescencji komórkowej. Typowe metody optyczne obejmują techniki oparte na białkach fluorescencyjnych i barwnikach fluorescencyjnych. W metodach opartych na białkach fluorescencyjnych naukowcy mogą nadekspresję wrażliwych na Ca2+ białek fluorescencyjnych, takich jak Cameleon13 i GCaMP14 w komórkach i monitorować zmiany sygnału fluorescencji za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej lub cytometrii przepływowej, aby obserwować zmiany w cytoplazmatycznych stężeniach Ca2 +. Ponadto naukowcy mogą nadekspresjonować te białka u myszy i wykorzystywać mikroskopię fluorescencyjną dwufotonową do monitorowania wewnątrzkomórkowych stężeń Ca2 + w czasie rzeczywistym in vivo lub na poziomie tkankowym, zapewniając wysoką rozdzielczość i głęboką penetrację tkanek10.
Dla metod opartych na barwnikach fluorescencyjnych, powszechnie używane sondy Ca2+ to Fluo-3/AM, Fluo-4/AM i Fura-2/AM10. Naukowcy inkubują komórki w roztworze zawierającym te sondy fluorescencyjne, które przechodzą przez błonę komórkową i są rozszczepiane przez wewnątrzkomórkowe esterazy w celu wytworzenia związków aktywnych (np. Fluo-3, Fluo-4 i Fura-2), które pozostają w komórce. Sondy te wykazują minimalną fluorescencję w postaci wolnego liganda, ale emitują silną fluorescencję po związaniu z wewnątrzkomórkowym Ca2 +, wskazując w ten sposób na zmiany w cytoplazmatycznych stężeniach Ca2 +. W porównaniu z innymi białkami fluorescencyjnymi i barwnikami, Fura-2 jest zwykle wzbudzana przy długościach fal 340 nm i 380 nm. Po związaniu z wewnątrzkomórkowym wolnym Ca2+, Fura-2 ulega przesunięciu absorpcyjnemu, przesuwając szczyt długości fali wzbudzenia z 380 nm do 340 nm, podczas gdy pik emisji w pobliżu 510 nm pozostaje niezmieniony. Istnieje ilościowa zależność między intensywnością fluorescencji a stężeniem związanegoCa2+, co pozwala na obliczenie wewnątrzkomórkowego stężenia Ca2+ poprzez pomiar współczynnika intensywności fluorescencji na tych dwóch długościach fal wzbudzenia. Pomiary proporcji redukują skutki fotowybielania, wycieku z sondy fluorescencyjnej, nierównomiernego obciążenia i różnic w grubości komórek, dając bardziej wiarygodne i powtarzalne wyniki (Rysunek 1).
Systemy obrazowania pojedynczych komórek Ca2+ wykorzystują głównie techniki mikroskopowe i wskaźnik Ca2+ Fura-2/AM do wykrywania wewnątrzkomórkowych stężeń Ca2+. Systemy te składają się z mikroskopu fluorescencyjnego, źródła światła do obrazowania Ca2+ oraz oprogramowania do obrazowania fluorescencyjnego, umożliwiającego ilościowe monitorowanie w czasie rzeczywistym zmian Ca2+ w cytoplazmie wielu komórek jednocześnie (do 50 komórek na pole widzenia). Wyniki są zapisywane w formacie ".xlsx" w celu późniejszej analizy. System oferuje szybką szybkość analizy (około 1 minuty w przypadku analizy grupy komórek w jednym polu widzenia) i generuje intuicyjne krzywe zmian, co znacznie zwiększa skuteczność wykrywania. Obrazowanie Ca2 + pojedynczych komórek jest niezbędnym podejściem technicznym do badania kanałów związanych z Ca2 + i ma znaczną wartość w badaniach biomedycznych związanych z kanałami jonowymi. Oczekuje się, że jego zastosowanie w technologii obrazowania wapnia w pojedynczych komórkach znacznie przyczyni się do postępu w badaniach nad mechanizmami leżącymi u podstaw tradycyjnej medycyny chińskiej.