전압민감염료

Voltage-sensitive dye

전압에 민감한 염료는 전위차계 염료라고도 하며 전압 변화에 반응하여 스펙트럼 속성을 변화시키는 염료다.그들은 단일 뉴런의 발화 활동, 큰 뉴런 집단 또는 근세포의 활동에 대한 선형 측정을 제공할 수 있다.많은 생리학적 과정들은 전압에 민감한 염료로 감지될 수 있는 세포막 전위의 변화를 동반한다.측정은 작용 전위 원점 부지를 나타낼 수 있으며 작용 전위 속도와 방향의 측정을 얻을 수 있다.[1]

전위차계 염료는 미토콘드리아와 덴드리트 척추와 같은 전극을 삽입할 수 없는 세포기관 내부의 전기적 활동을 감시하는 데 사용된다.이 기술은 특히 복잡한 다세포 준비의 활동 패턴 연구에 강력하다.그것은 또한 단일 세포의 표면을 따라 멤브레인 전위의 공간적 및 시간적 변화를 측정할 수 있게 한다.

염료의 종류

빠른 응답 프로브:이들은 멤브레인 앵커 역할을 하는 탄화수소 체인의 한 쌍이 있는 암페힐릭 멤브레인 얼룩 염료와 멤브레인/수성 인터페이스에 수직으로 크로모포어를 정렬하는 친수성 그룹이다.색소체는 지면에서 흥분상태로 흥분한 상태로의 흥분으로 인해 큰 전자 전하 이동을 겪는 것으로 믿어지고 이것은 막 전위에 대한 이러한 염료의 감도를 위한 착색성 전자 색소 메커니즘의 기초가 된다.이 분자(dye)는 생물학적 막의 지방질 부위에서 상호작용을 한다.이 방향은 장입 유도 전하 재배포가 막 내의 전기장과 평행하게 발생함을 보장한다.따라서 멤브레인 전체에 걸친 전압의 변화는 전장과 지면 사이의 직접적인 상호작용과 흥분 상태 쌍극자 모멘트로 인한 스펙트럼 변화를 야기할 것이다.

새로운 전압 염료는 결합된 분자선을 통해 광 유도 전자전달(PeT)을 이용해 고속과 감도로 전압을 감지할 수 있다.[2][3]

저속 응답 프로브:이러한 변화는 형광 변화를 동반하는 투과성 분포의 잠재적 의존적 변화를 나타낸다.대표적인 슬로우 리액션 프로브로는 양이온 카보시아닌과 로다민, 이온옥소놀 등이 있다.

예

일반적으로 사용되는 전압 민감 염료는 di-4-ANEPPS, di-8-ANEPPS, RH237과 같은 대체 아미노나프틸테닐니피리디늄(ANEP) 염료를 사용한다.물리적 특성을 바꾸는 화학적 변형에 따라 다른 실험 절차에 사용된다.[4]그것들은 1985년 레슬리 루의 연구 그룹에 의해 처음 설명되었다.[5]ANNINE-6plus는 반응 속도가 빠르고(ns 응답 시간) 감도가 높은 최신 전압 민감 염료다.Guixue Bu 외 연구진이 심근세포의 단일 t-튜브의 작용 전위를 측정하기 위해 적용했다.[6]최근의 컴퓨터 연구는 ANEP 염료가 특정한 분자 상호작용에 의해서가 아니라 정전기 환경에 의해서만 영향을 받는다는 것을 확인했다.[7]

자재

전압에 민감한 염료로 뇌 활동을 영상화하는 핵심 소재는 염료 그 자체다.이 전압에 민감한 염료는 지방질이며 가급적 소수성 꼬리가 있는 막에 국부화된다.그것들은 형광이나 흡수를 포함하는 용도에 사용된다; 그것들은 빠르게 작용하고 막 전위의 변화에 대한 선형 측정을 제공할 수 있다.[8]

염료와 함께 다양한 전문 장비를 사용할 수 있으며, 장비의 선택은 준비의 특수성에 따라 달라질 수 있다.기본적으로, 장비는 전문화된 현미경과 영상 장치를 포함할 것이며, 기술 램프나 레이저를 포함할 수 있다.[8]

장단점

전압에 민감한 염료를 사용하여 뇌 활동을 영상화하는 강점은 다음과 같은 능력을 포함한다.

  • 여러 영역에서 나오는 모집단 신호의 측정은 동시에 이루어질 수 있으며, 수백 개의 뉴런이 기록될 수 있다.이러한 다중 사이트 기록은 작용의 잠재적 시작과 전파(방향과 속도 포함) 및 뉴런의 전체 분기 구조에 대한 정확한 정보를 제공할 수 있다.[8]
  • 행동을 발생시키는 갱년기의 스파이크 활성을 측정할 수 있으며, 그 행동이 생성되는 방법에 대한 정보를 제공할 수 있다.[8]
  • 어떤 준비에서 염료의 약리학적 효과는 얼룩진 피펫을 제거하고 뉴런이 회복할 수 있도록 1~2시간 허용함으로써 완전히 역전될 수 있다.[8]
  • 염료는 단자 덴드리트 분기의 신호 통합 분석에 사용할 수 있다.전압 감지 염료는 이를 위해 유전적으로 인코딩된 전압 민감 단백질(Ci-VSP 유도 단백질 등)에 대한 유일한 대안을 제공한다.[8]

전압에 민감한 염료로 뇌 활동을 영상화하는 약점에는 다음과 같은 문제가 있다.

  • 전압 감지 염료는 준비물마다 매우 다르게 반응할 수 있다. 일반적으로 최적의 신호를 얻기 위해 수십 개의 염료를 테스트해야 한다.[8] 흥분 파장, 방출 파장, 노출 시간 등과 같은 영상 파라미터도 최적화해야 한다.
  • 전압에 민감한 염료는 종종 결합 조직을 통해 침투하지 못하거나 세포 내 공간을 통해 연구를 원하는 막 영역으로 이동한다.[8]이 염료들의 적용에서 얼룩은 심각한 문제다.ANNINE-6plus와 같은 수용성 염료는 이 문제를 겪지 않는다.
  • 노이즈는 전압에 민감한 염료를 사용하는 모든 준비에서 문제가 되며 특정 준비에서는 신호가 상당히 가려질 수 있다.[8]신호 대 잡음 비율은 공간 필터링 또는 시간 필터링 알고리즘을 통해 개선할 수 있다.많은 그러한 알고리즘이 존재한다; 하나의 신호 처리 알고리즘은 ANNINE-6+ 염료 최근 연구에서 찾을 수 있다.[6]
  • 세포는 치료의 영향을 영구히 받을 수 있다.지속적인 약리학적 효과가 가능하고 염료의 광역학도 손상될 수 있다.[8]

사용하다

Voltage-sensitive가 신경계의 여러 분야에서 유기체의 다양한 신경 활동을 측정하기 위해, 이 오징어 거인 등 사용되어 왔다 axon,[9]은 frog,[16]의 cat,[15]시개, 시각 피질의 salamander,[12][13][14]시각 피질의 쥐 somatosensory cortex,[10][11]후각 전구의 수염배럴.는 한 붉은 털 원숭이 중에서.[17][18]

참조

  • 전위차계 염료:세포막의 전기적 활동 영상화.레슬리 M.루우. 퓨어 & 애플.체른, 68권, 7번, 페이지 1405–1409.1996.
  1. ^ Cohen LB, Salzberg BM (1978). Optical Measurement of Membrane Potential. Reviews of Physiology, Biochemistry and Pharmacology. Vol. 83. pp. 35–88. doi:10.1007/3-540-08907-1_2. ISBN 978-3-540-08907-0.
  2. ^ Woodford, Clifford; Tsien, Roger (2015). "Previous Article Next Article Table of Contents Improved PeT Molecules for Optically Sensing Voltage in Neurons". J. Am. Chem. Soc. 137 (5): 1817–1824. doi:10.1021/ja510602z. PMC 4513930. PMID 25584688.
  3. ^ Sirbu, Dumitru; Butcher, John B.; Waddell, Paul G.; Andras, Peter; Benniston, Andrew C. (2017). "Locally Excited State–Charge Transfer State Coupled Dyes as Optically Responsive Neuron Firing Probes". Chemistry – A European Journal. 23 (58): 14639–14649. doi:10.1002/chem.201703366. ISSN 1521-3765.
  4. ^ "Datasheet by commercial supplier of ANEP dyes" (PDF).
  5. ^ Fluhler E, Burnham VG, Loew LM (October 1985). "Spectra, membrane binding, and potentiometric responses of new charge shift probes". Biochemistry. 24 (21): 5749–55. doi:10.1021/bi00342a010. PMID 4084490.
  6. ^ a b Bu G, et al. (March 2009). "Uniform action potential repolarization within the sarcolemma of in situ ventricular cardiomyocytes". Biophysical Journal. 96 (6): 2532–2546. Bibcode:2009BpJ....96.2532B. doi:10.1016/j.bpj.2008.12.3896. PMC 2907679. PMID 19289075.
  7. ^ Robinson, David; Besley, Nicholas A.; O’Shea, Paul; Hirst, Jonathan D. (14 April 2011). "Di-8-ANEPPS Emission Spectra in Phospholipid/Cholesterol Membranes: A Theoretical Study". The Journal of Physical Chemistry B. 115 (14): 4160–4167. doi:10.1021/jp1111372. PMID 21425824.
  8. ^ a b c d e f g h i j Baker BJ, Kosmidis EK, Vucinic D, et al. (March 2005). "Imaging brain activity with voltage- and calcium-sensitive dyes". Cell. Mol. Neurobiol. 25 (2): 245–82. doi:10.1007/s10571-005-3059-6. PMID 16050036.
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  14. ^ Cinelli AR, et al. (1995). "Salamander olfactory bulb neuronal activity observed by video rate, voltage-sensitive dye imaging. I. Characterization of the recording system". J. Neurophysiol. 73 (5): 2017–32. doi:10.1152/jn.1995.73.5.2017. PMID 7542698.
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