Методическая статья

Zebra II как новая система для регистрации электрофизиологических сигналов у рыбок данио

1.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/67066

⸱

16 августа 2024 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, UC Irvine, 2Department of Electrical Engineering and Computer Science, UC Irvine, 3Sensoriis Inc., 4Department of Biochemistry and Molecular Biology, Mayo Clinic

В этой статье

Краткое содержание

В исследовании представлена Zebra II, усовершенствованная система для длительного сбора и анализа ЭКГ у рыбок данио. Эта система оснащена независимой перфузионной системой и многоточечными электродами для работы с несколькими рыбами в контролируемых условиях. Острые эффекты амиодарона оценивали и анализировали у рыбок данио дикого типа.

Аннотация

Данио-рерио и их мутантные линии широко использовались в биомедицинских исследованиях, сердечно-сосудистых исследованиях и скрининге лекарств. В данном исследовании представлена коммерческая версия новой системы Zebra II. Протокол демонстрирует получение и анализ электрокардиограммы (ЭКГ) от нескольких рыбок данио в контролируемых рабочих условиях. Устройство состоит из внешней и независимой системы перфузии, 4-точечного электрода, датчиков температуры и встроенной электронной системы. В предыдущих исследованиях прототип устройства прошел валидацию по сравнению с установленной системой iWORX с помощью нескольких тестов, продемонстрировав аналогичное качество данных и реакцию ЭКГ на лекарственные вмешательства. После этого в исследовании изучалось влияние обезболивающих препаратов и колебаний температуры на ЭКГ рыбок данио, что потребовало мгновенной оценки данных. Благодаря способности аппарата обеспечивать последовательную подачу анестетиков и лекарств, удалось продлить сбор данных ЭКГ до 1 часа, что заметно дольше 5 минут, поддерживаемых существующими системами. В этой статье представлен новаторский облачный автоматизированный анализ с использованием данных четырех рыбок данио, предлагающий эффективный метод проведения комбинированных экспериментов и значительно сокращающий время и усилия. Система оказалась эффективной при захвате и анализе ЭКГ, особенно при выявлении аритмий, вызванных лекарствами, у диких рыбок данио. Кроме того, возможность сбора данных по нескольким каналам облегчила проведение рандомизированных контролируемых исследований с моделями рыбок данио. Разработанная система ЭКГ преодолевает существующие ограничения, демонстрируя потенциал для значительного ускорения разработки лекарств и сердечно-сосудистых исследований с участием рыбок данио.

Введение

Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются основной причиной смерти во всем мире. Согласно отчету AHA Update Report за 2024 год, в США каждый день от сердечно-сосудистых заболеваний умирает около 2552 человек, а средняя прямая и косвенная стоимость сердечно-сосудистых заболеваний оценивалась в 378,0 миллиарда долларов в 2017-2018 годах1. Фибрилляция предсердий (ФП) является одной из наиболее распространенных сердечных аритмий в классе США2 и связана с неблагоприятным прогнозом, увеличивая риск инсульта и смерти как при ССЗ, так и при несердечно-сосудистых заболеваниях, что приводит к повышенному риску неблагоприятных исходов3. Этот тип аритмии отличается быстрой и нерегулярной электрической активностью в предсердиях, что обычно приводит к быстрому и нерегулярному желудочковому ритму4. Кроме того, учитывая недавние события COVID-19, возросло число исследований и доказательств, которые показывают повышенное появление аритмии в связи с COVID-19, в основном при синусовой брадикардии5. На противоположной стороне ФП синусовая брадикардия представляет собой сниженный и более медленный сердечный ритм с частотой сердечных сокращений менее 60 ударов в минуту (уд/мин). Для постановки диагноза требуется электрокардиограмма (ЭКГ), показывающая нормальный синусовый ритм со скоростью ниже 60 ударов в минуту.

Данио-рерио, данио рерио, оказался идеальной моделью для исследований сердечно-сосудистых заболеваний и разработки лекарств из-за его гомологии с людьми как в морфологии, так и в физиологии и генетике6,7. Несмотря на наличие только двух различимых камер по сравнению с четырехкамерным сердцем у человека, рыбка данио обладает аналогичной сократительной структурой с аналогичной системой проводимости8,9. Таким образом, модель рыбок данио подходит для исследования сердечных аритмий и изучения связи между связанными генетическими путями и электрофизиологическими характеристиками с помощью анализа ЭКГ. Что касается конструкции датчика для записи ЭКГ у рыбок данио, обычно используются обычные игольчатые электроды10. В других исследованиях были представлены альтернативы обычным иглам путем разработки другого типа иглы из других материалов11, они включали такие материалы, как вольфрамовая нить, нержавеющая сталь и серебряная проволока для оценки качества записанных данных. Вместе с портативным набором ЭКГ они стремились создать универсальную платформу как для исследовательских, так и для образовательных лабораторий.

Система игл также была использована в других исследованиях11,12,13,14 для проведения исследований биологических и/или вызванных лекарствами эффектов, в которых она показала обнадеживающие результаты. Однако для получения оптимальных сигналов нужно было аккуратно вводить иглы через дерму данио-рерио. Эта инвазивная процедура может нанести вред сердцу рыбы из-за остроты игл, что, возможно, изменит морфологию сигнала13. Кроме того, точное размещение электрода на маленьком сердце без причинения вреда для обеспечения четкого захвата ЭКГ представляет собой значительную кривую обучения. В связи с этим были внедрены различные замещающие зондовые системы, такие как микроэлектродные матрицы (MEA) и 3D-печатные датчики. Как наша команда, так и другие исследователи успешно использовали MEA для сбора данных, получив данные, которые предлагают хорошее отношение сигнал/шум (SNR) наряду с высоким пространственным и временным разрешением15,16,17. Например, мы представили MEA, который обволакивает сердце рыбы, позволяя улавливать сигналы ЭКГ, специфичные для сайта15,16. В противоположность этому, другая команда разработала другой вид MEA на основе гибкой печатной платы (FPCB), изготовленной из полиимидной пленки, предназначенной для записи множественных электроэнцефалограмм (ЭЭГ) для исследования эпилепсии18. Несмотря на то, что MEA позволяют регистрировать множество сигналов, они ограничены способностью оценивать только одну рыбу за раз из-за ограниченного количества электродных каналов. В ответ на это ограничение, мы недавно продемонстрировали усовершенствованную систему, способную одновременно записывать ЭКГ с нескольких уроков fish19. В этой системе используются два электрода, каждый толщиной 125 мкм и изготовленные из полиимида, с золотым напылением, расположенными в нижней части корпуса для облегчения сбора данных. Тем не менее, включение циркуляционного насоса для воды вносило шум, влияющий на качество сигнализации ЭКГ по отношению сигнал/шум (SNR). Кроме того, необходимо было использовать громоздкие и дорогостоящие инструменты сбора данных, для которых требовалось проводное подключение к компьютеру. На рынке такие системы, как iWORX, предлагают улучшенную портативность благодаря компактному усилителю, но они сталкиваются с нерешенными проблемами: (i) время их записи слишком короткое (3-5 минут) для экспериментов, требующих большей продолжительности, например, связанных с острыми эффектами лекарств; (ii) потребность в обезболивании животных, которая может подвергнуть их стрессу и исказить электрофизиологические данные врожденной сердечной системы; (iii) ручные, последовательные измерения препятствуют исследованиям с большим количеством рыб; и (iv) необходимость автономной, трудоемкой обработки данных ЭКГ. Важно отметить, что до сих пор не появилось высокопроизводительных систем с микроэлектроникой для анализа мутантных фенотипов. Таким образом, создание высокопроизводительных систем, обеспечивающих расширенную запись ЭКГ, имеет решающее значение для выявления связей между аритмическими фенотипами и мутантными генотипами, идентификации множественных аритмических фенотипов, связанных с одиночными мутантными генотипами, и проверки эффективности сердечных препаратов с использованием модели рыбок данио. В связи с этим в 2022 году мы представили революционный прототип системы Zebra II. Эта новая система оснащена возможностью проведения расширенной записи ЭКГ от нескольких рыб одновременно. Для этого была создана собственная электронная система, использующая технологию Интернета вещей (IoT) для беспроводной передачи данных и позволяющая анализировать данные через мобильное приложение. Внедрение технологии IoT не только повысило гибкость и портативность системы, но и облегчило удаленное сотрудничество для исследования моделей рыбок данио. В предыдущем исследовании мы подтвердили эффективность системы с помощью обширных испытаний, продемонстрировав ее способность 1) получать данные ЭКГ одновременно от четырех рыб; 2) выполнять непрерывную запись ЭКГ продолжительностью до 1 часа, что значительно превышает возможности существующих систем, фиксирующих всего несколько минут; 3) свести к минимуму искажающие эффекты анестезии за счет использования 50% сниженной концентрации трикаина. Кроме того, система продемонстрировала сильную способность к длительной записи ЭКГ в различных экспериментах, таких как эксперименты, связанные с натрий-индуцированной синоатриальной блокадой (SA), температурно-индуцированными изменениями сердечного ритма и лекарственными аритмиями у мутантных рыб Tg (SCN5A-D1275N) и рыб дикого типа в контролируемых экспериментальных условиях. Использование в системе нескольких электродных каналов для расширенной записи ЭКГ еще больше позволяет проводить рандомизированные контролируемые исследования, позволяя изучать двух рыб в экспериментальной группе в идентичных условиях20. В этой статье мы представляем модернизированную версию системы, оснащенную 4-точечным электродом. Это усовершенствование позволяет пользователям захватывать показания ЭКГ из различных мест на рыбе, значительно снижая вероятность получения сигналов ЭКГ низкого качества. Более того, эта итерация основывается на большинстве функций, описанных в предыдущем исследовании19. Эта усовершенствованная система ЭКГ показывает большие перспективы в устранении существующих ограничений, тем самым существенно облегчая анализ аритмических фенотипов и скрининг лекарств у рыбок данио. Инновационное добавление 4-точечного электрода было тщательно протестировано в ходе краткого исследования лекарственной аритмии у диких рыбок данио, что еще раз подтвердило его эффективность.

Протокол

Строгое следование этическим нормам гарантирует благополучие и надлежащее обращение с данио-рерио, участвующими в наших экспериментах. Все экспериментальные мероприятия проводились в соответствии со стандартами, установленными Комитетами по институциональному уходу за животными и их использованию (IACUC). Эксперименты и результаты, описанные здесь, были выполнены с одобрения IACUC в соответствии с утвержденным протоколом AUP-21-066.

1. Приготовление и хранение складских растворов

ВНИМАНИЕ: Приготовьте исходный раствор трикаина в вытяжном шкафу, надев соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ).

  1. Отмерьте 400 мг порошка трикаина и растворите его в 97,9 мл деионизированной (DI) воды. Поместите в емкость магнитную мешалку и постепенно перемешивайте раствор.
  2. Отрегулируйте pH, постепенно добавляя менее 17 мл раствора NaOH. Продолжайте добавлять капли NaOH до тех пор, пока pH не достигнет диапазона 6,8,-7,2.
  3. Определить конечную концентрацию раствора трикаина с учетом добавленного NaOH, необходимого для корректировки рН и хранения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Раствор трикаина светочувствителен и должен храниться в контейнере янтарного цвета при температуре 4 °C, когда он не используется.
  4. Отмерьте 258,13 мг амиодарона и растворите его в 1 л воды DI. Вставьте в емкость магнитную мешалку и помешивайте в течение нескольких минут, пока раствор полностью не растворится и не очистится от какого-либо порошка. Храните раствор в холодильнике при температуре 4°C, когда он не используется.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Амиодарон необходимо готовить в вытяжном шкафу и хранить в холодильнике при температуре 4 °C. Всегда надевайте соответствующие СИЗ.

2. Рыбоводство

  1. Держите рыб в отдельных аквариумах, подключенных к системе циркуляции воды, поддерживая температуру в пределах 28-29°C.
  2. Обеспечьте непрерывный мониторинг качества воды и придерживайтесь цикла день-ночь 14 ч/10 ч.
  3. Разделите 40 рыбок на четыре группы, каждая из которых будет состоять из 10 рыб, и разместите их в отдельных аквариумах.

3. Настройка устройства

ПРИМЕЧАНИЕ: Процедура, описанная в шаге 3.2, должна быть выполнена для каждой камеры устройства (Рисунок 1). Хотя каждая камера может быть настроена по-разному, для обеспечения согласованности в эксперименте рекомендуется поддерживать одинаковые настройки во всех камерах.

  1. Подключите устройство к источнику питания и начните работу, нажав красную кнопку, расположенную на передней панели.
  2. Перемещайтесь по сенсорному экрану устройства, чтобы выбрать камеру для настройки.
    1. Установите настройку фильтра нижних частот на 0,1 Гц, а настройку фильтра верхних частот на 500 Гц. Установите настройку усиления на 10 000.
  3. Поднимите переднюю крышку, чтобы получить доступ к четырем камерам. Перед началом эксперимента погрузите губку каждой камеры (стандартную целлюлозную губку) в раствор трикаина, затем отожмите лишнюю жидкость.
  4. Поверните массив из четырех электродов, чтобы обеспечить доступ к губке, прежде чем вводить рыбу.

4. Лечение амиодароном

ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте воду из аквариумов (воду для рыб) для приготовления разбавленных растворов амиодарона и трикаина. Шаги 4.3 и 4.4 должны быть повторены для каждой группы, разделенной на шаге 2.3, для каждого раствора, приготовленного на шаге 4.1.

  1. Выполните описанные ниже действия, чтобы разбавить стоковый раствор амиодарона.
    1. Разбавьте 8,75 мл исходного раствора в 41,25 мл рыбьей воды до достижения концентрации 70 мкМ.
    2. Развести 12,5 мл исходного раствора в 37,5 мл воды для рыб до достижения концентрации 100 мкМ.
    3. Разбавьте 25 мл стокового раствора в 25 мл воды для рыб до достижения концентрации 200 мкМ.
  2. Приготовьте раствор для анестезии, разбавив 4 мл стокового раствора трикаина в 100 мл воды для рыб, в результате чего концентрация трикаина составит 0,16 мг/мл
  3. Погрузите каждую рыбу по отдельности в приготовленный раствор Амиодарона на 5 мин. Используйте таймеры, чтобы точно контролировать продолжительность погружения.
  4. Переложите рыбу в раствор трикаина на 2-3 минуты для обезболивания. Следите за тем, чтобы лечение не стало причиной гибели рыбы. Если рыба демонстрирует ненормальное поведение, например, теряет цвет или значительно уменьшает движение жабр, немедленно удалите ее из раствора и поместите обратно в чистую рыбную воду.

5. Сбор данных ЭКГ

ПРИМЕЧАНИЕ: Немедленно следуйте этим инструкциям после выполнения шага 4.4. Повторите процесс для каждой камеры перед запечатыванием устройства. Камеры рассчитаны на размещение рыбы шириной от 4-10 мм и длиной от 25 до 50 мм.

  1. Выньте рыбу из раствора трикаина и положите ее на губку так, чтобы ее брюшной стороной было обращено вверх.
  2. Расположите электродную решетку в форме ромба над областью грудной клетки рыбы, чтобы улавливать сигналы ЭКГ из четырех разных точек одновременно (Рисунок 2A,B). Обязательно тщательно отрегулируйте каждый электрод, чтобы каждый штифт соприкасался с кожей рыбы.
    1. Вращайте каждый электрод, опуская штифт до тех пор, пока он не соприкоснется с нижней стороной рыбы. Если штифт находится слишком высоко, поверните соответствующий винт с накатанной головкой по часовой стрелке, чтобы опустить его до тех пор, пока он не коснется рыбы.
    2. Выполните описанную выше регулировку для электродов во всех камерах.
  3. Закройте крышку камер после того, как все электродные решетки будут правильно расположены над рыбой в рабочих камерах.
  4. Отметьте каждую камеру для записи, выбрав ее на сенсорном экране, а затем начните запись, нажав кнопку «Запись» на экране.
  5. Нажмите кнопку «Стоп» через 2 минуты, а затем нажмите кнопку «Сохранить» в окне подсказки, которое появляется на экране после остановки. Сохраняйте информацию либо на диске, либо в облаке, в зависимости от конкретных исследовательских потребностей.

6. Устранение неполадок в системе позиционирования четырехэлектродной матрицы

ПРИМЕЧАНИЕ: Иногда один или несколько электродов могут не улавливать четкий сигнал ЭКГ, что требует изменения положения. При необходимости выполните следующие действия для поиска и устранения неисправностей матрицы электродов.

  1. Нажмите кнопку «Стоп» в интерфейсе устройства, чтобы остановить процесс записи и определить канал или каналы с несогласованными сигналами.
  2. Поднимите переднюю крышку для доступа к электродным камерам. Определите, какие камеры и конкретные электроды вызывают проблемы.
  3. Поверните верхний винт с накатанной головкой по часовой стрелке, чтобы отрегулировать расстояние электрода к рыбе. Это действие опустит электрод ближе к рыбе.
  4. При необходимости повторите шаг 6.3. Если простое приближение не решает проблему, поверните электрод в другое место на рыбе, пока не будет получен удовлетворительный сигнал.

7. Извлечение и анализ данных

ПРИМЕЧАНИЕ: Весь основной анализ данных, представленный в этой статье, использует метод вейвлета21 для уменьшения различных типов шума и стандартного отклонения нормальных синусовых сокращений (SDNN) для вычисления вариации ЧСС от удара к удару в сегментах за одну минуту.

  1. После того, как данные были сохранены на диске или в облаке, извлеките их для анализа или отправьте непосредственно на облачный сервер для дальнейшей обработки.
  2. Перейдите к сохраненным данным, нажав кнопку «Обзор» на экране, и выберите наборы данных для использования.
  3. Нажмите кнопку «Извлечь» в списке параметров на экране и подключите USB-накопитель к задней части устройства для извлечения данных.
  4. Следуйте инструкциям устройства, чтобы сохранить выбранные наборы данных на внешнем диске для последующего извлечения и анализа.

Результаты

Способность одновременно регистрировать сигналы ЭКГ от нескольких рыб существенно отличает данное устройство, предоставляя значительное преимущество в сокращении времени, необходимого для фармакологических или кардиологических исследований на zebrafish или других подобных видах (Рисунок 1). Регистрация точных сигналов ЭКГ может быть затруднена из-за анатомических особенностей рыб, особенно в вопросах размещения электродов. Традиционно для получения четкого сигнала ЭКГ активный электрод располагают над сердцем, чтобы избежать регистрации механических сокращений или двигательных артефактов, а референтный электрод помещают в области нижней части брюшка. Однако точно определить местоположение сердца может быть сложно из-за его глубины в тканях или неровности поверхности тела рыбы. В некоторых случаях для точного позиционирования электродов приходится использовать микроманипуляторы, что может потребовать нескольких попыток перед получением качественного сигнала.

Для преодоления этих трудностей в системе применен инновационный подход, заключающийся в использовании конфигурации из четырех электродов вместо традиционных одиночных рабочих электродов. Каждый электрод работает независимо, что позволяет выполнять регулировку в трех измерениях: вверх-вниз (тангаж), наклон вперед-назад (рыскание) и вращение вокруг вертикальной оси (крен). Такая гибкость оказывается особенно полезной при работе с рыбами различных форм, так как она обеспечивает точное позиционирование электродов для получения оптимального сигнала ЭКГ или изучения того, как показатели ЭКГ меняются в зависимости от различных точек контакта на теле рыбы.

Эта особенность не только повышает эффективность исследований сердца и лекарственных препаратов, но и расширяет возможности для ЭКГ и даже методов записи ЭКГ. Поскольку эти методы еще не стандартизированы и часто адаптируются под конкретные условия экспериментального субъекта, данное устройство открывает новые пути для исследований, предлагая более гибкие и надежные методы сбора данных (Рисунок 2).

Одной из отличительных особенностей этой системы является ее способность одновременно оценивать воздействие до четырех различных препаратов на четырех отдельных рыбах или исследовать эффекты до четырех различных доз одного препарата на четырех разных рыбах. Экспериментальная установка может варьироваться от кратковременного острого воздействия до более длительных сессий продолжительностью 1 h, с использованием различных дозировок препаратов или изменением условий окружающей среды, таких как температура и анестезия. В данном исследовании мы провели краткий эксперимент для демонстрации эффективности метода, уделив особое внимание функциональности четырехэлектродной матрицы. Мы протестировали три различные дозы амиодарона — антиаритмического препарата III класса, известного тем, что индуцирует брадикардию и продлевает интервал QT у zebrafish, в течение 5 min воздействия, по аналогии с предыдущим исследованием20, в котором использовался первый прототип этого устройства.

В соответствии с предыдущими исследованиями, у рыб наблюдались как удлинение интервала QTc, так и снижение частоты сердечных сокращений по сравнению с необработанной контрольной группой. Несмотря на короткое время воздействия, которое меньше, чем во многих сопоставимых исследованиях, где оно достигает 1 h, нам удалось наблюдать значительные изменения сигналов ЭКГ и параметров сердечной деятельности (Рисунок 3).

То, как лечение амиодароном вызывало заметные изменения на ЭКГ, которые усиливались с увеличением дозы, показано на рисунке 3A,B. Примечательно, что интервал QTc удлинялся с каждым последующим увеличением дозы по сравнению с контрольной группой, в которой интервал QTc составлял 330 ms. В группах, получавших препарат, интервалы QTc составили 365 ms для 70 µM амиодарона, 480 ms для 100 µM и 546 ms для 200 µM. Соответственно, в ответ на различные дозы амиодарона и удлинение интервалов QTc наблюдалось заметное снижение частоты сердечных сокращений. ЧСС значительно снизилась со среднего значения 120 ±5 BPM в контрольной группе до 105 ±10 BPM при 70 µM амиодарона, 90 ± 5 BPM при 100 µM и 84 ±5 BPM при 200 µM (рисунок 3C,D).

На основании этих результатов можно сделать вывод, что недавно предложенный метод демонстрирует качество, сопоставимое с данными предыдущих исследований17,18, с использованием двухэлектродного подхода (один рабочий электрод и один электрод сравнения). Мы успешно собрали данные с четырех рабочих электродов, выбрав оптимальный из них для последующего анализа и определения ожидаемых параметров сердечной деятельности. Критерии отбора соответствуют критериям более ранних методов и подчеркивают необходимость четкой визуализации комплекса PQRST и низкого уровня фонового шума в сигнале ЭКГ. Это позволяет рассчитать интервалы QT и QTc и облегчает выявление явных различий. Кроме того, методика прошла дополнительную валидацию путем тестирования тремя другими исследователями из нашей группы, которые не участвовали в разработке данного устройства. Сначала они применили предварительную методику, предложенную разработчиками, а затем предложили модификации на основе своих отзывов, что привело к доработке подхода, представленного в настоящее время. Этот итерационный процесс совершенствования имел решающее значение для улучшения устройства, поскольку позволил использовать идеи сторонних исследователей, чтобы сделать его более удобным в использовании и эффективным для будущих применений.

Данное краткое исследование реакции на препарат подчеркивает эффективность устройства не только в одновременной записи ЭКГ четырех разных рыб в различных условиях, но и в регистрации нескольких (четырех) сигналов ЭКГ от одной рыбы. Эта многофакторная возможность значительно сокращает время и усилия, затрачиваемые на размещение электродов, и минимизирует вероятность человеческой ошибки, предоставляя выбор сигналов. Такой подход позволяет либо выбрать наиболее точный сигнал, либо объединить данные из нескольких сигналов в зависимости от целей исследования. Однако важно уточнить, что использование четырехэлектродной конфигурации не гарантирует автоматически, что все четыре сигнала будут чистыми и высококачественными. Основная цель внедрения этой инновационной функции заключается в снижении количества ошибок оператора и экономии времени за счет обеспечения четырех одновременных записей вместо последовательных, что более эффективно по времени и менее стрессово для рыб, учитывая их ограниченную переносимость пребывания вне воды и под воздействием анестезии.

Схема электрофизиологической установки с системой Zebra II, 4-электродным держателем и мультиэлектродной матрицей.
Рисунок 1: Система Zebra II. (A) Изометрический вид устройства Zebra II (модель SolidWorks) с обозначением компонентов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Схема многоэлектродной установки ЭКГ и результаты мониторинга сердца рыб; показаны данные каналов 1-4.
Рисунок 2: Расположение электродов на Zebrafish. (A) Степени свободы 4-точечного держателя электродов (концептуальное изображение). (B) Расположение электродов на груди рыбы. (C) Сигнал ЭКГ с 4-точечного держателя электродов (каналы 1-4). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Анализ электрокардиограммы, интервал QTc, анализ ЭКГ при дозировании амиодарона, графики частоты сердечных сокращений.
Рисунок 3: Эффекты острого воздействия амиодарона (сигналы ЭКГ). (A) Репрезентативные данные ЭКГ, полученные с помощью системы, и изменение параметров ЭКГ при различных концентрациях амиодарона. (B) Изменение ЭКГ под воздействием амиодарона. (C) Столбчатая диаграмма, описывающая различие HR. (D) Столбчатая диаграмма, описывающая различие интервала QTc в данных ЭКГ при различных концентрациях амиодарона. *p<0.05 (однофакторный дисперсионный анализ с тестом Тьюки). Планки погрешностей указывают стандартное отклонение. Данный рисунок был модифицирован на основе20. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Обсуждение

Текущие шаги были изменены и улучшены в соответствии с этой новой версией устройства из предыдущего исследования, проведенного нашей командой20. В этом случае также включена система автоматизированного проектирования (САПР) с маркировкой.

Как подчеркивается в руководстве по устранению неполадок протокола, устройство требует от пользователя выполнения определенных критических шагов с усердием и точностью, поскольку эти шаги критически влияют на качество сигнала ЭКГ. В соответствии с результатами нашего предыдущего исследования20, расположение электродов играет важную роль в получении высококачественных и четких показаний ЭКГ из образцов рыбок данио. В связи с тем, что этот метод увеличивает количество рабочих электродов с одного до четырех и вводит дополнительные степени свободы, для достижения оптимальных результатов требуются дополнительные действия по устранению неполадок и уточненное размещение электродов по вентральной области рыбы.

Преимущества и новые особенности устройства заключаются в расширенных измерениях для многоступенчатых экспериментов, ограниченных часовыми исследованиями, высокопроизводительном скрининге с использованием нескольких рыбок данио-рерио (четыре одновременных исследования), высококонтролируемой настройке эксперимента, дополнительных электрофизиологических записях на образец (до четырех) и автоматизированной облачной аналитике и хранении данных. Исходя из этого, мы хотели бы подчеркнуть, что основной проблемой, которую мы решаем, является время, необходимое для проведения скрининга лекарств и кардиологических исследований у рыбок данио, поскольку традиционные методы требуют индивидуального скрининга и нескольких испытаний для сбора достаточного количества информации. Это также предлагает новый способ использования многоканальных матриц для записи ЭКГ более простым способом по сравнению с теми, которые используют микроэлектродные матрицы (MEA) или гибкие печатные платы (FPCB)18 , которые требуют дополнительных этапов изготовления упомянутых электродов и процедуры, необходимой для их прикрепления к рыбе, по сравнению с предлагаемым методом, который также основан на поверхностном контакте, но менее инвазивным способом.

Ограничения системы не отличаются от тех, которые представлены в традиционных методах19,20, но являются менее интенсивными, поскольку многоканальная решетка используется для уменьшения числа попыток записи, необходимых для исследования. Эти ограничения зависят от положения электрода, так как рекомендуется следовать предложенному расположению, представленному на рисунке 2B. Также необходимо четко понимать, что пользователь не может рассчитывать на идеальные записи во время первого испытания по четырем каналам, поскольку анатомические различия рыб и предварительная обработка образца (удаление накипи, процедуры открытой грудной клетки и т.д.) напрямую повлияют на качество и успех тестов.

Раскрытие информации

Хунг Цао и Майкл Лау являются основателями компании Sensoriis, Inc. Система Zebra II от Sensoriis была разработана при поддержке NIH, грант SBIR Phase II #R44OD024874. Калифорнийский университет в Ирвайне рассмотрел и одобрил отношения Hung Cao с Sensoriis, Inc. в соответствии со своей политикой в отношении конфликта интересов. Остальные авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Мы благодарны за поддержку со стороны #R44OD024874 NIH SBIR Phase II для H.C. и M.P.H.L. Авторы также хотели бы выразить признательность за финансовую поддержку, оказанную Национальным советом по гуманизации, науке и технологиям (CONAHCYT) в Мексике в рамках стипендии под названием Beca CONAHCYT Para Estudios de Doctorado en el Extranjero.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Амиодарона гидрохлоридSigma-AldrichPHR1164-1GПорошок амиодарона
Настольный измеритель pH/mVSper Scientific10500308
этил3-аминобензоат, соль метансульфоновой кислоты, 98%, ACROS OrganicsFisher ScientificAC118002500порошок трикаина
Isotemp Горячая плиточная мешалкаFisher ScientificSP88854200
Система Zebra IISensoriisN/AКоммерческая система регистрации ЭКГ данио-рерио
Система ЭКГ ДериофишiWorxZS-200Коммерческая система записи ЭКГ данио-рерио

Ссылки

  1. Tsao, C. W., et al. Heart disease and stroke statistics-2022 update: A report from the American heart association. Circulation. 145 (8), e153-e639 (2022).
  2. Zulkifly, H., Lip, G. Y. H., Lane, D. A. Epidemiology of atrial fibrillation. Int J Clin Pract. 72 (3), e13070(2018).
  3. Ferreira, C., Providência, R., Ferreira, M. J., Gonçalves, L. M. Atrial fibrillation and non-cardiovascular diseases: A systematic review. Arq Bras Cardiol. 105 (5), 519-526 (2015).
  4. Hu, Z., Ding, L., Yao, Y. Atrial fibrillation: mechanism and clinical management. Chin Med J. 136 (22), 2668-2676 (2023).
  5. Babapoor-Farrokhran, S., Rasekhi, R. T., Gill, D., Babapoor, S., Amanullah, A. Arrhythmia in COVID-19. SN Comp Clin Med. 2 (9), 1430-1435 (2020).
  6. Arnaout, R., et al. Zebrafish model for human long QT syndrome. Proc Natl Acad Sci. 104 (27), 11316-11321 (2007).
  7. Koopman, C. D., et al. The zebrafish grime mutant uncovers an evolutionarily conserved role for Tmem161b in the control of cardiac rhythm. Proc Natl Acad Sci. 118 (9), e2018220118(2021).
  8. Genge, C. E., et al. Reviews of Physiology, Biochemistry and Pharmacology. , Springer International Publishing. (2016).
  9. Nemtsas, P., Wettwer, E., Christ, T., Weidinger, G., Ravens, U. Adult zebrafish heart as a model for human heart? An electrophysiological study. J Mol Cell Cardiol. 48 (1), 161-171 (2010).
  10. Sun, P., et al. Micro-electrocardiograms to study post-ventricular amputation of Zebrafish heart. Ann Biomed Engg. 37 (5), 890-901 (2009).
  11. Lin, M. H., et al. Development of a rapid and economic in vivo electrocardiogram platform for cardiovascular drug assay and electrophysiology research in adult zebrafish. Sci Rep. 8 (1), 15986(2018).
  12. Chaudhari, G. H., Chennubhotla, K. S., Chatti, K., Kulkarni, P. Optimization of the adult zebrafish ECG method for assessment of drug-induced QTc prolongation. J Pharmacol Toxicol Methods. 67 (2), 115-120 (2013).
  13. Liu, C. C., Li, L., Lam, Y. W., Siu, C. W., Cheng, S. H. Improvement of surface ECG recording in adult zebrafish reveals that the value of this model exceeds our expectation. Sci Rep. 6, 25073(2016).
  14. Stoyek, M. R., Rog-Zielinska, E. A., Quinn, T. A. Age-associated changes in electrical function of the zebrafish heart. Prog Biophys Mol Biol. 138, 91-104 (2018).
  15. Cao, H., et al. Wearable multi-channel microelectrode membranes for elucidating electrophysiological phenotypes of injured myocardium. Integ Biol. 6 (8), 789-795 (2014).
  16. Lenning, M., et al. Real-time monitoring and analysis of zebrafish electrocardiogram with anomaly detection. Sensors. 18 (1), 61(2018).
  17. Yu, F., et al. Flexible microelectrode arrays to interface epicardial electrical signals with intracardial calcium transients in zebrafish hearts. Biomed Microdev. 14 (2), 357-366 (2012).
  18. Cho, S. J., et al. Zebrafish as an animal model in epilepsy studies with multichannel EEG recordings. Sci Rep. 7 (1), 3099(2017).
  19. Continuous electrocardiogram monitoring in Zebrafish with prolonged mild anesthesia. Le, T., et al. 42nd Ann Int Conf IEEE Engg Med Biol Soc, , 2610-2613 (2020).
  20. Le, T., et al. A novel wireless ECG system for prolonged monitoring of multiple zebrafish for heart disease and drug screening studies. Biosensors Bioelectron. 197, 113808(2022).
  21. Kouzehgar, K., Eslamian, S. Chapter 2 - Application of experimental data and soft computing techniques in determining the outflow and breach characteristics in embankments and landslide dams. Handbook Hydroinfo. 3, 11-31 (2023).
  22. Milan, D. J., Jones, I. L., Ellinor, P. T., MacRae, C. A. In vivo recording of adult zebrafish electrocardiogram and assessment of drug-induced QT prolongation. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 291 (1), H269-H273 (2006).

Перепечатки и разрешения

Теги

Электрофизиология Danio rerioрегистрация ЭКГмногоканальная ЭКГскрининг лекарственных препаратовпатология сердцатерапия амиодарономэлектродная матрицаавтоматизированный анализ ЭКГсердечно-сосудистые исследованиядоклиническая разработка лекарств
Zebra II как новая система для регистрации электрофизиологических сигналов у рыбок данио
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.