Ca2+ играет решающую роль в передаче клеточного сигнала, регулируя различные клеточные функции, такие как сокращение мышц1, нервная проводимость2, секреция3 и экспрессия генов4, тем самым влияя на многочисленные физиологические процессы. Аномальные концентрации Ca2+ могут привести к таким заболеваниям, как аритмии5, нарушения свертываемости крови6 и гормональный дисбаланс7. Поэтому изучение механизмов внутриклеточного изменения концентрацииСа2+ имеет первостепенное значение.
В регуляции концентрацииCa2+ в клетках участвуют различные ионные каналы, в томчисле каналы 8 с высоким уровнем Ca+-селективного высвобождения кальция (CRAC) и неселективные катионные каналы семейства TRP9. Эти ионные каналы могут быть активированы такими стимулами, как температура10, соединения и активные ингредиенты, обнаруженные в традиционной китайской медицине11, играя решающую роль в различных физиологических процессах, связанных сCa2+.
Эффективный мониторинг внутриклеточных изменений концентрацииCa2+ имеет важное значение для изучения ионных каналов, связанных сCa2+, особенно в области традиционной китайской медицины, где регуляция передачи сигналов кальция играет центральную роль во многих терапевтических подходах. В настоящее время основные методы измерения внутриклеточного Ca2+ можно разделить на два типа: электрические и оптические измерения. Подход к электрическим измерениям использует метод патч-зажима для оценки изменений потенциала клеточной мембраны из-за притока Ca2+ 12.
При оптических измерениях флуоресцентные зонды специфически связываются с Ca2+, что позволяет исследователям отслеживать изменения интенсивности клеточной флуоресценции. К распространенным оптическим методам относятся методы на основе флуоресцентных белков и флуоресцентных красителей. В методах, основанных на флуоресцентных белках, исследователи могут сверхэкспрессировать чувствительные кCa2+ флуоресцентные белки, такие как Cameleon13 и GCaMP14 , в клетках и отслеживать изменения флуоресцентного сигнала с помощью флуоресцентной микроскопии или проточной цитометрии для наблюдения за сдвигами в концентрациях Ca2+ в цитоплазме. Кроме того, исследователи могут сверхэкспрессировать эти белки у мышей и использовать двухфотонную флуоресцентную микроскопию для мониторинга внутриклеточных концентрацийCa2+ in vivo в режиме реального времени in vivo или на уровне тканей, обеспечивая высокое разрешение иглубокое проникновение в ткани.
Для методов на основе флуоресцентных красителей обычно используются зонды Ca2+ Fluo-3/AM, Fluo-4/AM и Fura-2/AM10. Исследователи инкубируют клетки в растворе, содержащем эти флуоресцентные зонды, которые пересекают клеточную мембрану и расщепляются внутриклеточными эстеразами с образованием активных соединений (например, Fluo-3, Fluo-4 и Fura-2), которые остаются внутри клетки. Эти зонды проявляют минимальную флуоресценцию в своей свободной лигандной форме, но излучают сильную флуоресценцию при связывании с внутриклеточным Ca2+, тем самым указывая на изменения цитоплазматических концентраций Ca2+ . По сравнению с другими флуоресцентными белками и красителями, Fura-2 обычно возбуждается на длинах волн 340 нм и 380 нм. При связывании с внутриклеточным свободнымCa2+ Fura-2 претерпевает сдвиг поглощения, сдвигая пик длины волны возбуждения с 380 нм до 340 нм, в то время как пик излучения около 510 нм остается неизменным. Существует количественная зависимость между интенсивностью флуоресценции и связанной концентрацией Ca2+ , что позволяет рассчитать внутриклеточную концентрацию Ca2+ путем измерения отношения интенсивности флуоресценции на этих двух длинах волн возбуждения. Измерения соотношения уменьшают последствия фотообесцвечивания, утечки флуоресцентного зонда, неравномерной нагрузки и разницы в толщине ячейки, что позволяет получить более надежные и воспроизводимые результаты (Рисунок 1).
В системах визуализации Ca2+ для отдельных клеток в основном используются методы микроскопии и индикатор Ca2+ Fura-2/AM для обнаружения внутриклеточных концентраций Ca2+ . Эти системы включают в себя флуоресцентный микроскоп, источник света для визуализации Ca2+ и программное обеспечение для флуоресцентной визуализации, позволяющее в режиме реального времени проводить количественный мониторинг изменений Ca2+ в цитоплазме нескольких клеток одновременно (до 50 клеток в поле зрения). Результаты сохраняются в формате «.xlsx» для последующего анализа. Система обеспечивает быструю скорость анализа (примерно 1 минута для анализа группы клеток в одном поле зрения) и генерирует интуитивно понятные кривые изменений, значительно повышая эффективность обнаружения. Визуализация Ca2+ в одиночных клетках является важным техническим подходом к изучению каналов, связанных с Ca2+, и имеет большое значение в биомедицинских исследованиях, связанных с ионными каналами. Ожидается, что его применение в технологии визуализации кальция одиночных клеток значительно продвинет вперед исследования механизмов, лежащих в основе традиционной китайской медицины.