Yöntem makalesi

Zebra Balıklarında Elektrofizyolojik Sinyalleri Kaydetmek İçin Yeni Bir Sistem Olarak Zebra II

1.1K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/67066

⸱

16 Ağustos 2024

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

Bu makalede

Özet

Çalışma, zebra balıklarında uzun süreli EKG alımı ve analizi için gelişmiş bir sistem olan Zebra II'yi tanıtıyor. Bu sistem, kontrollü ortamlarda birden fazla balığı işlemek için bağımsız bir perfüzyon sistemine ve çok noktalı elektrotlara sahiptir. Amiodaronun akut etkileri, vahşi tip zebra balığı ile değerlendirildi ve analiz edildi.

Özet

Zebra balığı ve mutant çizgileri, biyomedikal araştırmalarda, kardiyovasküler çalışmalarda ve ilaç taramalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada, yeni sistemin ticari versiyonu olan Zebra II sunulmaktadır. Protokol, kontrol edilebilir çalışma ortamlarında birden fazla zebra balığından elektrokardiyogram (EKG) alımını ve analizini gösterir. Cihaz, harici ve bağımsız bir perfüzyon sistemi, 4 noktalı bir elektrot, sıcaklık sensörleri ve gömülü bir elektronik sistemden oluşur. Önceki çalışmalarda, cihaz prototipi, ilaç müdahalelerine benzer veri kalitesi ve EKG yanıtı gösteren çeşitli testler yoluyla yerleşik iWORX sistemine karşı doğrulamaya tabi tutulmuştur. Bunu takiben, çalışma, anestezik ilaçların ve sıcaklık dalgalanmalarının zebra balığı EKG'si üzerindeki etkisini incelemeye başladı ve anlık veri değerlendirmesini gerektirdi. Cihazın anesteziklerin ve ilaçların tutarlı bir şekilde verilme kapasitesi sayesinde, EKG veri toplamayı 1 saate kadar uzatmak mümkün oldu, bu da mevcut sistemler tarafından desteklenen 5 dakikalık süreden belirgin şekilde daha uzundu. Bu makale, kombinasyon deneyleri yapmak ve zaman ve çabayı önemli ölçüde azaltmak için verimli bir yöntem sunan, dört zebra balığından elde edilen verileri kullanan öncü, bulut tabanlı, otomatik bir analiz sunmaktadır. Sistem, özellikle vahşi tip zebra balıklarında ilaca bağlı aritmileri tespit etmede EKG'yi yakalamada ve analiz etmede etkili olduğunu kanıtladı. Ek olarak, birden fazla kanalda veri toplama yeteneği, zebra balığı modelleriyle randomize kontrollü çalışmaların yürütülmesini kolaylaştırdı. Geliştirilen EKG sistemi, zebra balığı içeren ilaç keşfini ve kardiyovasküler araştırmaları büyük ölçüde hızlandırma potansiyelini göstererek mevcut sınırlamaların üstesinden geliyor.

Giriş

Kardiyovasküler hastalıklar (KVH'ler) dünya çapında önde gelen ölüm nedenidir. 2024 AHA Güncelleme Raporuna göre, ABD'de her gün yaklaşık 2552 kişi CVD'lerden ölüyor ve CVD'nin ortalama doğrudan ve dolaylı maliyetinin 2017-2018'de 378,0 milyar dolar olduğu tahmin ediliyor1. Atriyal fibrilasyon (AF), ABD2'de en sık görülen kardiyak aritmilerden biridir ve olumsuz bir prognoz ile ilişkilidir, hem KVH'lerde hem de kardiyovasküler olmayan hastalık senaryolarında inme ve ölüm riskini artırarak olumsuz sonuç riskinin artmasına neden olur3. Bu tip aritmi, genellikle hızlı ve düzensiz bir ventriküler ritim4 ile sonuçlanan kulakçıklardaki hızlı ve düzensiz elektriksel aktivitesi ile ayırt edilir. Ayrıca, COVID-19'un son olayları göz önüne alındığında, COVID-19 ile ilişkili olarak, çoğunlukla sinüs bradikardisine bağlı olarak aritmi görünümünün arttığını gösteren artan sayıda çalışma ve kanıt olmuştur5. AF'nin karşı tarafında, sinüs bradikardisi, dakikada 60 atıştan (bpm) daha düşük bir kalp atış hızı ile azalmış ve daha yavaş bir kalp ritmi sunar. Bu tanı, 60 bpm'den daha düşük bir hızda normal bir sinüs ritmi gösteren bir elektrokardiyogram (EKG) gerektirir.

Zebra balığı, Danio rerio, hem morfoloji, hem fizyoloji hem de genetik olarak insanlara homolojisi nedeniyle kardiyovasküler ve ilaç geliştirme çalışmaları için ideal bir model olduğunu kanıtlamıştır6,7. İnsanlardaki dört odacıklı kalbe kıyasla sadece iki ayırt edilebilir odaya sahip olmasına rağmen, zebra balığı benzer bir iletim sistemi ile benzer bir kasılma yapısına sahiptir8,9. Bu nedenle, zebra balığı modeli, kardiyak aritmileri araştırmak ve EKG analizi yoluyla ilgili genetik yollar ile elektrofizyolojik özellikler arasındaki ilişkiyi keşfetmek için uygundur. Zebra balıklarında EKG kaydı için sensör tasarımı ile ilgili olarak, geleneksel iğne elektrotları yaygın olarak kullanılır10. Diğer çalışmalar, farklı malzemelerden yapılmış farklı bir iğne türü tasarlayarak geleneksel iğneler için alternatifler sundu11, bunlar kaydedilen verilerin kalitesini değerlendirmek için tungsten filament, paslanmaz çelik ve gümüş tel gibi malzemeleri içeriyordu. Taşınabilir EKG kiti ile birlikte, hem araştırma hem de eğitim laboratuvarları için evrensel bir platform oluşturmaya çalıştılar.

İğne sistemi, biyolojik /veya ilaca bağlı etkiler üzerine araştırma yapmak için ><11,sup class="xref">12,13,14 gibi diğer çalışmalarda da kullanıldı. Bununla birlikte, en uygun sinyalleri elde etmek için, iğneleri zebra balığının dermisine dikkatlice sokmak gerekiyordu. Bu invaziv prosedür, iğnelerin keskinliği nedeniyle balığın kalbinin yaralanmasına neden olabilir ve bu nedenle muhtemelen sinyal morfolojisi13'ü değiştirebilir. Ayrıca, net EKG yakalamayı sağlamak için elektrodu zarar vermeden küçük kalbe doğru bir şekilde yerleştirmek, önemli bir öğrenme eğrisi sunar. Sonuç olarak, mikroelektrot dizileri (MEA) ve 3D baskılı sensörler gibi çeşitli ikame prob sistemleri tanıtıldı. Hem ekibimiz hem de diğer araştırmacılar, veri toplama için MEA'yı başarıyla kullandılar ve yüksek uzamsal ve zamansal çözünürlükle birlikte iyi bir sinyal-gürültü oranı (SNR) sunan veriler elde ettiler15,16,17. Örneğin, balığın kalbini saran ve bölgeye özgü EKG sinyallerinin yakalanmasına olanak tanıyan bir MEA'yı kullanıma sunduk15,16. Buna karşılık, başka bir ekip, epilepsi araştırması için çoklu elektroensefalogramları (EEG'ler) kaydetmeyi amaçlayan poliimid filmden hazırlanmış esnek bir baskılı devre kartına (FPCB) dayanan farklı bir MEA türü geliştirdi18. MEA'lar çok sayıda sinyalin kaydedilmesini sağlarken, sınırlı sayıda elektrot kanalı nedeniyle bir seferde yalnızca bir balığı değerlendirme kapasitesi ile sınırlıdırlar. Bu sınırlamaya yanıt olarak, yakın zamanda birden fazla fish19'dan eş zamanlı EKG kaydı yapabilen gelişmiş bir sistem sergiledik. Bu sistem, her biri 125 μm kalınlığında ve poliimidden yapılmış iki elektrot kullanır ve veri toplamayı kolaylaştırmak için yuvalarının altına yerleştirilmiş altın püskürtmeli elektrotlar kullanır. Bununla birlikte, bir su sirkülasyon pompasının dahil edilmesi, EKG sinyallerinin sinyal-gürültü oranı (SNR) kalitesini etkileyen gürültüye neden oldu. Ek olarak, bir bilgisayara kablolu bağlantı gerektiren hantal ve maliyetli veri toplama araçlarının kullanılması gerekliydi. Piyasada, iWORX gibi sistemler, kompakt bir amplifikatör aracılığıyla gelişmiş taşınabilirlik sunar, ancak çözülmemiş sorunlarla karşı karşıya kalırlar: (i) kayıt süreleri, akut ilaç etkilerini içerenler gibi daha uzun süreler gerektiren deneyler için çok kısadır (3-5 dakika); (ii) Hayvanları strese sokabilecek ve doğuştan gelen kardiyak elektrofizyolojik verileri çarpıtabilecek şekilde uyuşturma gerekliliği; (iii) manuel, sıralı ölçümler çok sayıda balıkla yapılan araştırmaları engeller; ve (iv) çevrimdışı, emek yoğun EKG veri işleme ihtiyacı. Daha da önemlisi, mutant fenotipleri analiz etmek için mikroelektronik içeren yüksek verimli sistemler henüz ortaya çıkmamıştır. Bu nedenle, aritmik fenotipler ve mutant genotipler arasındaki bağlantıları ortaya çıkarmak, tek mutant genotiplerle ilişkili çoklu aritmik fenotipleri tanımlamak ve zebra balığı modelini kullanarak kardiyak ilaçların etkinliğini test etmek için genişletilmiş EKG kaydını mümkün kılan yüksek verimli sistemlerin oluşturulması çok önemlidir. Sonuç olarak, 2022'de Zebra II sisteminin çığır açan prototipini tanıttık. Bu yeni sistem, aynı anda birkaç balıktan uzun süreli EKG kayıtları yapmak için donatılmıştır. Bunu başarmak için, kablosuz veri iletimi için Nesnelerin İnterneti (IoT) teknolojisini kullanan ve bir mobil uygulama aracılığıyla veri analizine olanak tanıyan şirket içi bir elektronik sistem hazırlandı. IoT teknolojisinin dahil edilmesi, yalnızca sistemin esnekliğini ve taşınabilirliğini desteklemekle kalmadı, aynı zamanda zebra balığı modelleri üzerinde araştırma yapmak için uzaktan işbirliklerini de kolaylaştırdı. Daha önceki bir çalışmada, sistemin etkinliğini kapsamlı testlerle doğruladık ve 1) dört balıktan aynı anda EKG verileri elde etme; 2) 1 saate kadar sürekli EKG kayıtları gerçekleştirin, bu da yalnızca birkaç dakika yakalayan mevcut sistemlerin kapasitesini önemli ölçüde aşıyor; 3) % 50 azaltılmış Trikain konsantrasyonu kullanarak anestezinin kafa karıştırıcı etkilerini en aza indirin. Ayrıca, sistem, sodyumun neden olduğu sinoatriyal (SA) blok, sıcaklığa bağlı kalp atış hızı değişiklikleri ve hem Tg (SCN5A-D1275N) mutant hem de vahşi tip balıklarda ilaca bağlı aritmiler gibi çeşitli deneylerde uzun EKG kayıtları için güçlü bir yetenek göstermiştir. Sistemin genişletilmiş EKG kaydı için birden fazla elektrot kanalını benimsemesi, randomize kontrollü çalışmaların yürütülmesini daha da mümkün kılarak, deney grubu başına iki balığın aynı koşullar altında çalışılmasına olanak tanır20. Bu yazıda, sistemin 4 noktalı bir elektrot içeren yükseltilmiş versiyonunu tanıtıyoruz. Bu geliştirme, kullanıcıların balığın çeşitli yerlerinden EKG okumaları yakalamasına olanak tanıyarak düşük kaliteli EKG sinyalleri elde etme şansını önemli ölçüde azaltır. Ayrıca, bu yineleme, önceki research19'da özetlenen işlevlerin çoğunu temel alır ve iyileştirir. Bu gelişmiş EKG sistemi, mevcut sınırlamaların ele alınmasında büyük umut vaat ediyor, böylece zebra balıklarında aritmik fenotiplerin analizini ve ilaçların taranmasını önemli ölçüde kolaylaştırıyor. 4 noktalı elektrotun yenilikçi ilavesi, vahşi tip zebra balıklarında ilaca bağlı aritmi üzerine yapılan kısa bir çalışma ile titizlikle test edildi ve etkinliği daha da doğrulandı.

Protokol

Etik kurallara sıkı sıkıya bağlı kalmak, deneylerimizde yer alan zebra balıklarının refahını ve uygun şekilde ele alınmasını sağlar. Tüm deneysel faaliyetler, Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanım Komiteleri (IACUC) tarafından belirlenen standartlara uygun olarak yürütülmüştür. Burada ayrıntıları verilen deneyler ve bulgular, yetkili protokol AUP-21-066 kapsamında IACUC'un onayı ile gerçekleştirilmiştir.

1. Stok çözeltilerinin hazırlanması ve depolanması

DİKKAT: Trikain stok solüsyonunu uygun kişisel koruyucu ekipman (KKD) giyerek bir çeker ocakta hazırlayın.

  1. 400 mg trikin tozu ölçün ve 97.9 mL deiyonize (DI) suda çözün. Kabın içine manyetik bir karıştırıcı yerleştirin ve çözeltiyi yavaş yavaş karıştırın.
  2. 17 mL'den daha az NaOH çözeltisi ekleyerek pH'ı kademeli olarak ayarlayın. PH 6.8.-7.2 aralığına ulaşana kadar NaOH damlaları eklemeye devam edin.
  3. PH'ı ayarlamak ve depolamak için gerekli olan ilave NaOH'yi hesaba katarak trikin çözeltisinin nihai konsantrasyonunu belirleyin.
    NOT: Trikain çözeltisi ışığa duyarlıdır ve kullanılmadığı zaman kehribar renkli bir kapta 4 °C'de saklanmalıdır.
  4. 258.13 mg Amiodaron ölçün ve 1 L DI suda çözün. Kabın içine manyetik bir karıştırıcı yerleştirin ve çözelti tamamen eriyene ve herhangi bir tozdan arındırılana kadar birkaç dakika karıştırın. Solüsyonu kullanılmadığı zaman 4°C'de bir buzdolabında saklayın.
    NOT: Amiodaron bir çeker ocak içinde hazırlanmalı ve 4 ° C'de bir buzdolabında saklanmalıdır. Daima uygun KKD'yi giyin.

2. Balık yetiştiriciliği

  1. Balıkları, sıcaklığı 28-29°C arasında tutarak sirkülasyonlu bir su sistemine bağlı ayrı tanklarda tutun.
  2. Su kalitesinin sürekli izlenmesini sağlayın ve 14 saat/10 saat gündüz-gece döngüsüne uyun.
  3. 40 balığı her biri 10 balıktan oluşan dört gruba ayırın ve ayrı tanklarda saklayın.

3. Cihazı kurma

NOT: Adım 3.2'de özetlenen prosedür, cihazın her odası için gerçekleştirilmelidir (Şekil 1). Her oda farklı şekilde ayarlanabilirken, deneyde tutarlılık için, tüm odalarda tek tip ayarların korunması tavsiye edilir.

  1. Cihazı bir güç kaynağına bağlayın ve ön panelde bulunan Kırmızı Düğmeye basarak işlemi başlatın.
  2. Yapılandırılacak odayı seçmek için cihazın dokunmatik ekranında gezinin.
    1. Alçak geçiren filtre ayarını 0,1 Hz'e ve yüksek geçiren filtre ayarını 500 Hz'e ayarlayın. Kazanç ayarını 10.000'e ayarlayın.
  3. Dört bölmeye erişmek için ön kapağı kaldırın. Deneye başlamadan önce, her odanın süngerini (standart selüloz sünger) Trikain çözeltisine batırın, ardından fazla sıvıyı sıkın.
  4. Balığı yerleştirmeden önce süngerin erişilebilir olduğundan emin olmak için dört elektrot dizisini döndürün.

4. Amiodaron tedavisi

NOT: Seyreltilmiş Amiodaron ve Trikain çözeltileri hazırlamak için balık tanklarından (balık suyu) gelen suyu kullanın. Adım 4.3 ve 4.4, adım 2.3'te ayrılan her grup için, adım 4.1'de hazırlanan her çözüm için tekrarlanmalıdır.

  1. Amiodarone stok çözeltisini seyreltmek için aşağıda açıklanan adımları izleyin.
    1. 70 μM konsantrasyon elde etmek için 8.75 mL stok çözeltisini 41.25 mL balık suyuna seyreltin.
    2. 100 μM konsantrasyon elde etmek için 12,5 mL stok çözeltisini 37,5 mL balık suyuna seyreltin.
    3. 200 μM konsantrasyon elde etmek için 25 mL stok çözeltisini 25 mL balık suyuna seyreltin.
  2. Anestezi solüsyonunu, 4 mL Trikain stok solüsyonunu 100 mL balık suyuna seyrelterek hazırlayın, bu da 0.16 mg / mL'lik bir Trikain konsantrasyonu ile sonuçlanır
  3. Her balığı ayrı ayrı hazırlanan Amiodarone solüsyonuna 5 dakika daldırın. Daldırma süresini doğru bir şekilde izlemek için zamanlayıcıları kullanın.
  4. Anestezi için balıkları 2-3 dakika Trikain çözeltisine aktarın. Tedavinin balığın ölümüne neden olmadığından emin olun. Bir balık, renk kaybı veya solungaç hareketinde önemli bir azalma gibi anormal davranışlar sergilerse, onu hemen solüsyondan çıkarın ve tekrar temiz balık suyuna koyun.

5. EKG veri toplama

NOT: Adım 4.4'ü tamamladıktan hemen sonra bu talimatları izleyin. Cihazı mühürlemeden önce her oda için işlemi tekrarlayın. Hazneler, genişliği 4-10 mm ve uzunluğu 25-50 mm arasında değişen balıkları barındıracak şekilde tasarlanmıştır.

  1. Balığı Trikain solüsyonundan çıkarın ve ventral tarafı yukarı bakacak şekilde süngerin üzerine yerleştirin.
  2. Aynı anda dört farklı noktadan EKG sinyallerini yakalamak için elektrot dizisini balığın göğüs bölgesi üzerine eşkenar dörtgen şeklinde yerleştirin (Şekil 2A,B). Her elektrotu, her iğne balığın derisiyle temas edecek şekilde dikkatlice ayarladığınızdan emin olun.
    1. Her bir elektrodu döndürün, pimi balığın alt tarafıyla temas edene kadar indirin. Pim çok yüksekse, balığa değene kadar indirmek için ilgili kelebek vidayı saat yönünde çevirin.
    2. Tüm odalardaki elektrotlar için yukarıda açıklanan ayarlamayı yapın.
  3. Tüm elektrot dizileri çalışma odalarındaki balıkların üzerine doğru şekilde yerleştirildikten sonra odaların kapağını kapatın.
  4. Dokunmatik ekranda seçerek her bir odayı kayıt için işaretleyin, ardından ekrandaki Kaydet düğmesine tıklayarak kaydı başlatın.
  5. 2 dakika sonra Durdur düğmesine tıklayın ve ardından durduktan sonra ekranda açılan istem pencerelerinden Kaydet düğmesine tıklayın. Belirli araştırma gereksinimlerine bağlı olarak bilgileri bir diske veya buluta kaydedin.

6. Dört elektrotlu dizi konumlandırma sisteminde sorun giderme

NOT: Bazen, bir veya birkaç elektrot net bir EKG sinyali yakalayamayabilir ve bu da yeniden konumlandırmayı gerektirebilir. Gerektiğinde elektrot dizisinde sorun gidermek için aşağıdaki adımları kullanın.

  1. Kayıt işlemini durdurmak ve tutarsız sinyallere sahip kanalı veya kanalları belirlemek için cihaz arayüzündeki Durdur düğmesine basın.
  2. Elektrot odalarına erişmek için ön kapağı kaldırın. Hangi oda(lar)ın ve belirli elektrotların sorunlara neden olduğunu belirleyin.
  3. Elektrotun balığa yakınlığını ayarlamak için üst kelebek vidayı saat yönünde çevirin. Bu işlem elektrodu balığa daha yakın indirecektir.
  4. Gerektiği kadar adım 6.3'ü tekrarlayın. Sadece yaklaşmak sorunu çözmezse, tatmin edici bir sinyal elde edilene kadar elektrodu balık üzerinde farklı bir noktaya döndürün.

7. Verilerin ayıklanması ve analiz edilmesi

NOT: Bu yazıda sunulan tüm temel veri analizi, çeşitli gürültü türlerini ve normal sinüs atımlarının (SDNN) standart sapmasını azaltmak için Wavelet tekniğini21 kullanır

.
  1. Veriler diske veya buluta kaydedildikten sonra, analiz için geri alın veya daha fazla işlem için doğrudan bir bulut sunucusuna gönderin.
  2. Ekrandaki Gözat düğmesine tıklayarak kaydedilen verilere gidin ve kullanılacak veri kümelerini seçin.
  3. Ekrandaki seçeneklerden Çıkart düğmesini seçin ve verileri çıkarmak için cihazın arka kısmına bir USB sürücü takın.
  4. Seçilen veri kümelerini daha sonra almak ve analiz etmek üzere harici sürücüye kaydetmek için cihaz komutlarını izleyin.

Sonuçlar

Birden fazla balıktan eş zamanlı olarak EKG sinyalleri kaydedebilme yeteneği, bu cihazı önemli ölçüde farklılaştırarak zebrafish veya diğer benzer türler üzerinde yürütülen ilaç veya kalp araştırmaları için gereken süreyi azaltmada ciddi bir avantaj sunmaktadır (Şekil 1). Balıklar arasındaki anatomik varyasyonlar, özellikle elektrot yerleşimi söz konusu olduğunda, doğru EKG sinyallerinin kaydedilmesini zorlaştırabilmektedir. Geleneksel olarak net bir EKG sinyali elde etmek, mekanik vuruşların veya hareket artefaktlarının yakalanmasını önlemek için aktif elektrodun kalbin üzerine, referans elektrodun ise alt karın bölgesine yerleştirilmesini içerir. Ancak, kalbin doku içindeki derinliği veya balığın düzensiz yüzeyi nedeniyle kalbin tam konumunu belirlemek zor olabilir. Bazen, kaliteli bir sinyal yakalamadan önce birden fazla deneme gerektirebilen doğru yerleşim için elektrotların mikromanipülatörler yardımıyla yönlendirilmesi gerekebilir.

Bu zorlukların üstesinden gelmek için sistem, geleneksel tek çalışma elektrotları yerine dört elektrotlu bir konfigürasyon kullanarak yenilikçi bir yaklaşım sunmaktadır. Her elektrot bağımsız olarak çalışmakta olup; yukarı ve aşağı (heave), öne ve arkaya eğilme (pitch) ve dikey eksen etrafında dönme (roll) şeklinde üç boyutta ayarlanabilmektedir. Bu esneklik, optimum ECG sinyalini yakalamak veya ECG okumalarının balık üzerindeki farklı temas noktalarına göre nasıl değiştiğini incelemek için hassas elektrot konumlandırmaya olanak tanıdığından, çeşitli şekillere sahip balıklarla çalışırken özellikle faydalı olmaktadır.

Bu özellik, yalnızca kardiyak ve ilaç çalışmalarının verimliliğini artırmakla kalmayıp, aynı zamanda EKG ve hatta EKG kayıt teknikleri için olan olasılıkları da genişletmektedir. Bu yöntemlerin henüz standartlaşmadığı ve genellikle deneysel konunun spesifik koşullarına uyum sağlamak için özelleştirildiği göz önüne alındığında, bu cihaz daha uyarlanabilir ve güvenilir veri toplama yöntemleri sunarak araştırma için yeni yollar açmaktadır (Şekil 2).

Bu sistemin ayırt edici özelliklerinden biri, dört ayrı balık üzerinde aynı anda dört farklı ilacı değerlendirebilmesi veya dört farklı balıkta tek bir ilacın dört farklı dozunun etkilerini inceleyebilmesidir. Deneysel kurulum, kısa süreli akut maruziyetten, değişken ilaç dozlarını veya sıcaklık ve anestezi gibi çevresel koşullardaki değişiklikleri içeren 1 h süreli daha uzun oturumlara kadar çeşitlilik gösterebilir. Bu çalışmada, yöntemin etkinliğini göstermek ve özellikle dört elektrotlu dizinin işlevselliğini vurgulamak amacıyla kısa bir deney gerçekleştirdik. Bu cihazın ilk prototipini kullanan önceki bir çalışmaya20 benzer şekilde, zebrafishlerde bradikardiye neden olması ve QT intervalini uzatmasıyla bilinen sınıf-III bir anti-aritmik ilaç olan Amiodarone'nin üç farklı dozunu 5 min'lik bir maruziyet süresi boyunca test ettik.

Önceki araştırmalarla uyumlu olarak, balıklar işlem görmemiş kontrol grubuna kıyasla hem uzamış bir QTc aralığı hem de kalp hızında bir azalma göstermiştir. 1 saate kadar uzanan birçok benzer çalışmaya göre daha kısa olan kısa maruziyet süresine rağmen, ECG sinyallerinde ve kardiyak parametrelerde anlamlı değişiklikler gözlemleyebildik (Şekil 3).

Amiodarone tedavisinin EKG'de doz artışıyla birlikte şiddetlenen ve gözlemlenebilir modifikasyonları nasıl tetiklediği Şekil 3A,B'de gösterilmiştir. Özellikle, 330 ms'lik bir QTc aralığı sergileyen kontrol grubuna kıyasla, QTc aralığının her bir ardışık doz artışıyla birlikte uzadığı görülmüştür. Tedavi edilen gruplarda QTc aralıkları, 70 µM Amiodarone için 365 ms, 100 µM için 480 ms ve 200 µM için 546 ms olarak ölçülmüştür. Buna paralel olarak, farklı Amiodarone dozlarına ve uzayan QTc aralıklarına tepki olarak kalp hızında dikkat çekici bir düşüş gözlemlenmiştir. Kalp hızı, kontrol grubundaki ortalama 120 ±5 BPM'den, 70 µM Amiodarone'da 105 ±10 BPM'ye, 100 µM'da 90 ± 5 BPM'ye ve 200 µM'da 84 ±5 BPM'ye önemli ölçüde düşmüştür (Şekil 3C,D).

Bu bulgulara dayanarak, iki elektrotlu bir yaklaşım (bir çalışma elektrodu ve bir referans elektrodu) kullanan ve yeni önerilen tekniğin, önceki çalışmalarla17,18 karşılaştırılabilir kalitede olduğunu söyleyebiliriz. Dört çalışma elektrodundan başarıyla veri topladık ve beklenen kardiyak parametreleri raporlamak için analiz amacıyla en uygun olanını seçtik. Seçim kriterleri, ECG sinyalinde PQRST kompleksinin belirgin şekilde görselleştirilmesi ve düşük baz hattı gürültusu gereksinimini vurgulayan önceki yöntemlerle uyumludur. Bu durum, QT ve QTc aralıklarının hesaplanmasına olanak tanır ve belirgin farkların tanımlanmasını kolaylaştırır. Ayrıca metodoloji, mevcut cihazın geliştirilmesine katılmamış grubumuzdan üç ek araştırmacı tarafından yapılan testlerle daha fazla doğrulanmıştır. Araştırmacılar önce tasarımcılar tarafından önerilen ön metodolojiyi uygulamış ve ardından geri bildirimlerine dayalı modifikasyonlar önermişlerdir; bu da şu an sunulan yaklaşımın rafine edilmesini sağlamıştır. Bu yinelemeli geliştirme süreci, cihazı daha kullanıcı dostu ve gelecekteki uygulamalar için daha etkili hale getirmek amacıyla dış araştırmacıların görüşlerinden faydalanarak cihazın iyileştirilmesinde kritik bir rol oynamıştır.

İlaç yanıtı üzerine yapılan bu kısa çalışma, cihazın yalnızca farklı koşullar altındaki dört ayrı balıktan eş zamanlı olarak EKG kaydetme yetkinliğini değil, aynı zamanda balık başına birden fazla (dört) EKG sinyali yakalama kapasitesini de vurgulamaktadır. Bu çok faktörlü özellik, elektrot yerleşimi için gereken zamanı ve çabayı önemli ölçüde azaltmakta ve bir dizi sinyal seçeneği sunarak insan kaynaklı hata olasılığını minimize etmektedir. Bu seçenek, çalışmanın amacına bağlı olarak ya en doğru sinyalin seçilmesine ya da birden fazla sinyalden gelen verilerin birleştirilmesine olanak tanır. Bununla birlikte, dört elektrotlu düzeneğin kullanılmasının, dört sinyalin de otomatik olarak temiz ve yüksek kaliteli olacağını garanti etmediğini belirtmek önemlidir. Bu yenilikçi özelliğin sunulmasındaki temel amaç, sıralı kayıtlar yerine dört eş zamanlı kayda izin vererek insan hatalarını azaltmak ve zaman kazanmaktır; bu durum, balıkların su dışında ve anestezi altında kalmaya karşı sınırlı toleransları göz önüne alındığında, daha zaman verimli ve balıklar için daha az streslidir.

Zebra II sistemi, 4-elektrot tutucu ve çok elektrotlu dizi ile elektrofizyoloji kurulum şeması.
Şekil 1: Zebra II sistemi. (A) Bileşenlerin etiketlendiği Zebra II cihazının izometrik görünümü (SolidWorks Modeli). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Balık kalp izlemesi için çok elektrotlu EKG düzeneği şeması ve sonuçları; 1-4 kanallı veriler gösterilmiştir.
Şekil 2: Zebrafish üzerinde elektrot konumlandırması. (A) 4 noktalı elektrot tutucunun serbestlik dereceleri (kavramsal görüntü). (B) Balığın göğüs bölgesi üzerindeki elektrot konumlandırması. (C) 4 noktalı elektrot tutucudan alınan EKG sinyali (Kanal 1-4). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Elektrokardiyogram analizi, QTc aralığı, amiodaron dozajı altında ECG analizi, kalp hızı grafikleri.
Şekil 3: Akut amiodaron maruziyetinin etkileri (ECG sinyalleri). (A) Sistemden elde edilen temsili ECG verileri ve farklı Amiodaron konsantrasyonlarına bağlı olarak ECG parametrelerindeki değişim. (B) Amiodaron maruziyeti nedeniyle ECG'deki değişim. (C) HR farkını açıklayan sütun grafiği. (D) Farklı Amiodaron konsantrasyonlarına sahip ECG verilerindeki QTc aralığı farkını açıklayan sütun grafiği. *p<0.05 (Tukey testi ile tek yönlü varyans analizi). Hata çubukları standart sapmayı göstermektedir. Bu şekil 20 kaynağından değiştirilerek oluşturulmuştur. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışma

Mevcut adımlar, ekibimiz20 tarafından yapılan önceki bir çalışmadan elde edilen bu yeni cihaz sürümüne göre değiştirildi ve geliştirildi. Burada, cihazın etiketli bir bilgisayar destekli tasarımı (CAD) da yer almaktadır.

Protokolün sorun giderme kılavuzunda vurgulandığı gibi, cihaz kullanıcının belirli kritik adımları özen ve hassasiyetle yürütmesini gerektirir, çünkü bu adımlar EKG sinyalinin kalitesini önemli ölçüde etkiler. Önceki çalışmamız20'den elde edilen bulgularla tutarlı olarak, elektrotların konumlandırılması, zebra balığı örneklerinden yüksek kaliteli ve net EKG okumaları elde etmede önemli bir rol oynar. Bu yöntemin çalışan elektrot sayısını birden dörde çıkarması ve ek serbestlik dereceleri sunması nedeniyle, optimum sonuçlar için ek sorun giderme adımları ve balığın karın bölgesine iyileştirilmiş elektrot yerleşimi gerektirir.

Cihazın avantajları ve yeni özellikleri, çok adımlı deneyler için genişletilmiş ölçümde, saatlerce süren çalışmalarla sınırlı, birden fazla zebra balığı ile yüksek verimli tarama (dört eşzamanlı çalışma), yüksek düzeyde kontrol edilebilir deney kurulumu, numune başına ek elektrofizyoloji kayıtları (dörde kadar) ve otomatik bulut tabanlı analitik ve veri depolama. Buradan, geleneksel yöntemler yeterli bilgi toplamak için tek tek tarama ve birden fazla deneme gerektirdiğinden, ele alınan ana konunun zebra balıklarında ilaç taraması ve kardiyak çalışmalar yapmak için gereken süre olduğunu vurgulamak isteriz22. Bu aynı zamanda, mikroelektrot dizileri (MEA) veya esnek baskılı devre kartları (FPCB)18 kullananlara kıyasla EKG'yi daha basit bir şekilde kaydetmek için çok kanallı dizileri kullanmanın yeni bir yolunu sunar, bu da söz konusu elektrotların imalatında ekstra adımlar ve ayrıca yüzey temasına dayanan ancak daha az invaziv bir şekilde önerilen yönteme kıyasla bunları balığa bağlamak için gereken prosedür gerektirir.

Sistemin sınırlamaları, geleneksel yöntemlerde19,20 sunulanlardan farklı değildir, ancak çalışma için gereken kayıt denemelerinin sayısını azaltmak için çok kanallı bir dizi kullanıldığından daha az yoğundur. Bu sınırlamalar, Şekil 2B'de sunulan önerilen konumlandırmanın izlenmesi önerildiği için elektrot konumlandırmasına bağlıdır. Ayrıca, balıkların anatomik farklılıkları ve numunenin ön işlenmesi (kireç temizleme, açık göğüs prosedürleri vb.) testlerin kalitesini ve başarısını doğrudan etkileyeceğinden, kullanıcının dört kanal üzerinde ilk deneme sırasında mükemmel kayıtlar elde etmeyi bekleyemeyeceği de açık olmalıdır.

Açıklamalar

Hung Cao ve Michael Lau, Sensoriis, Inc.'in kurucularıdır. Sensoriis'in sistemi Zebra II, NIH desteği, SBIR Faz II hibe #R44OD024874 altında geliştirilmiştir. California Üniversitesi, Irvine, Hung Cao'nun Sensoriis, Inc. ile olan ilişkisini çıkar çatışması politikalarına uygun olarak gözden geçirdi ve onayladı. Diğer yazarlar herhangi bir çıkar çatışması beyan etmemektedir.

Teşekkürler

NIH SBIR Faz II #R44OD024874'nin HC ve MPHL'ye verdiği destek için minnettarız. Yazarlar ayrıca Meksika'daki Consejo Nacional de Humanidades, Ciencias y Tecnologias (CONAHCYT) tarafından Beca CONAHCYT Para Estudios de Doctorado en el Extranjero adlı burs aracılığıyla sağlanan mali desteğe de teşekkür etmek isterler.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Amiodaron HidroklorürSigma-AldrichPHR1164-1GAmiodaron tozu
Masaüstü pH / mV MetreSper Scientific10500308
Etilen3-Aminobenzoat, Metansülfonik Asit Tuzu,% 98, ACROS OrganicsFisher ScientificAC118002500Trikain tozu
Isotemp Sıcak Plaka KarıştırıcıFisher ScientificSP88854200
Zebra II SistemSensoriisN/ATicari Zebra Balığı EKG Kayıt Sistemi
Zebra Balığı EKG SistemiiWorxZS-200Ticari Zebra Balığı EKG Kayıt Sistemi

Kaynaklar

  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).

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Zebrafish ElektrofizyolojisiEKG AlımıÇok Kanallı EKGİlaç TaramaKardiyak PatolojiAmiodaron TedavisiElektrot DizisiOtomatik EKG AnaliziKardiyovasküler AraştırmaKlinik Öncesi İlaç Geliştirme
Zebra Balıklarında Elektrofizyolojik Sinyalleri Kaydetmek İçin Yeni Bir Sistem Olarak Zebra II
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.