이온 선택적 자체 참조 미세 전극 기술을 이용하여 세포 외 이온 플럭스 측정
Summary
Transporters in cell membranes allow differential segregation of ions across cell membranes or cell layers and play crucial roles during tissue physiology, repair and pathology. We describe the ion-selective self-referencing microelectrode that allows the measurement of specific ion fluxes at single cells and tissues in vivo.
Abstract
동물, 식물 및 단일 세포로부터 세포 외부로부터 세포질을 분리 세포막라는 장벽에 의해 밀폐된다. 이러한 상피 세포층로서 또한 외부 또는 다세포 유기체의 다른 구획에서 내부를 분리 장벽을 형성한다. 이러한 장벽의 주요 기능은 세포막 또는 세포 층에 걸쳐 이온의 미분 분포이다. 두 속성이 배포 허용 : 1) 막과 상피 특정 이온에 선택적 투과성을 표시; 2) 이온은 세포막 및 세포 층에 걸쳐 펌프를 통해 운반된다. 이러한 속성은 조직의 생리를 유지하는 중요한 역할을 수리하는 동안, 손상 후 신호를 신호로 작동, 또는 병적 인 상태에서. 이온 선택적 자체 참조 미세 전극은 단일 세포와 조직 수준의 칼슘, 칼륨, 나트륨 등의 이온의 특정 플럭스를 측정 할 수 있습니다. 미세 전극은 이온 운반체 칵테일을 포함특정 이온에 선택적으로 투과. 내부 도금액 관심 이온 농도 세트를 포함한다. 미세 전극의 전위는 이온의 외측 농도에 의해 결정된다. 이온 농도의 변화에 따라, 미세 전극의 전위는 이온 활성의 로그 함수로서 변화시킨다. (인해 이온 플럭스 농도 구배 예) 앞뒤로 이온의 소스 또는 싱크 가까이 이동할 때 미세 전극 전위는 이온 플럭스 / 구배에 비례하는 진폭 변동한다. 증폭기는 미세 신호를 증폭하고 출력은 컴퓨터 상에 기록된다. 이온 플럭스는 그러한 특정 이온 이동성 전극 전위 변동, 미세 전극의 편위 및 다른 파라미터를 이용하여 픽의 확산 법칙에 의해 계산 될 수있다. 본 논문에서는, 우리는 이온 선택적 자체 참조 미세 전극을 사용하여 세포 외 이온 플럭스를 측정하는 방법 상세 설명몇 가지 대표적인 결과를 제시 거라고.
Introduction
모든 동물 세포는 외부 환경으로부터 세포질을 분리 지질 이중층 막에 의해 둘러싸여있다. 셀 이온 (1)의 능동 수송에 의해, 내부 전기 막 잠재력, 음을 유지합니다. 막 전위는 셀이 막 (2)에 다양한 분자 장치를 조작하기 위해 활용할 수있는 저장된 에너지 원이다. 뉴런과 다른 흥분성 세포는 큰 막 잠재력을 가지고있다. 나트륨 채널의 신속한 개폐는 막 전위 (탈분극)을 축소하고 신경 세포 (2)의 길이를 따라 이송되는 활동 전위를 생성한다. 이외에도 이러한 급격한 전기 변화에서, 많은 조직과 장기 생성하고 중요한 장기 전기 잠재력을 유지한다. 예를 들어, 피부 및 각막 상피 생성 및 이온의 펌핑 방향 (주로 나트륨 및 염화물) (3)에 의해 트랜스 – 상피 세포 외 전위 및 전류를 유지한다.
내인성 세포 외 전류의 측정은 진동 프로브 4-6과 세포막과 상피 세포층의 전기 파라미터의 측정을 허용 미세 전극 시스템 7-10를 사용하여 막 또는 트랜스 – 상피 전위의 측정을 사용하는 동안 십t "> 이들은 아무 수득 관련된 이온 종의 표시.선택적 이온 운반체와 미소 전극은 용액에서 특정 이온 농도를 측정 할 수 있습니다. 이온 구배 또는 플럭스는 서로 다른 위치에 둘 이상의 전극을 이용하여 측정 될 수있다. 그러나, 각 프로브의 극한 전압 드리프트가 달라도 측정 부정확 또는 존재하지 않았다 구배에도 검출을 일으키는 것이다. 이 두 점 사이의 낮은 주파수로 이동된다 "자체 참조"모드에서 사용되는 단일 전극이 문제를 해결한다. 이제 이온 플럭스가 비교적 느린 안정된 신호 드리프트의 배경에 대해 알 수있다 (도 3b 참조). </P>
이온 성 측정 시스템은 단일 조직 또는 세포에 가까운 작은 세포 외 이온의 플럭스를 검출하는 이온 선택성 자체 참조 미소 전극을 사용한다. 시스템은 미세 전극의 움직임을 제어하기위한 미세 전극 및 마이크로 스테퍼 모터 드라이버로부터의 신호를 처리하여 증폭기로 구성된다. 회로를 닫을 이온 선택 미세 전극 및 기준 전극은 headstage 프리 앰프 (도 1a)를 통해 증폭기에 접속된다. 컴퓨터 소프트웨어 미세 운동 (주파수, 거리)의 파라미터를 결정하고, 또한 상기 증폭기의 출력을 기록한다. 스테퍼 모터는 입체 micropositioner 통해 미세 이동을 제어한다. 이온 선택 미세 진동 저주파 1 특정 칼슘 플럭스 (11)를 측정하기 위해 1990 년에 개발되었다. 뿐만 아니라 칼슘, 상업적으로 접근 이온 운반체 칵테일 지금 MICR을 할 수 있습니다oelectrodes 나트륨, 염화 칼륨, 수소, 마그네슘, 질산 암모늄, 불화 리튬, 또는 수은 민감.
기본적으로, 자기 – 참조 이온 선택 미세 기술은 전압계에 의해 측정 될 수 전위로 용액에 용해 특정 이온의 활성을 변환한다. 이온 운반체 칵테일 혼합되지 않는 액체 이온 교환 특성 (유기, 친 유성) 단계입니다. 선택적 이온 운반체 (귀속) 특정 이온을 가역적 및 미세 전극 (전해액)에 함유 수용액 및 미세 전극을 침지시킨 수용액 (도 1d) 간의 전송들을 복합체. 이 이온 이동은 전기 화학 평형에 이르게하고 미세 전극과 기준 전극 사이의 전위의 변화는 전압계에 의해 측정된다. 전압은 네른스트 E에 따라 특정 이온 활성의 대수에 비례이온 농도 (도 2A와 B)의 계산을 허용 quation.
현재, 몇몇 시스템들은 유사한 개념 또는 원리를 이용하여 이온 플럭스의 측정을 허용한다. 예를 들어, 및 뉴만 Shabala 14-16 의해 개발 스캐닝 이온 선택 전극 기법 (SIET) (12, 13) 또는 미세 전극 이온 플럭스 추정 (MIFE) 기술이 널리 시판 특정 이온을 결정하기 위해 연구 커뮤니티에서 사용하는 동물, 식물 및 단일 생존 세포 모델에 걸쳐 다양한 세포막 및 조직에서 발생하는 플럭스. 이온 선택 미소 전극은 뇌동맥 쥐 18 꽃가루 튜브 19 스케이트 망막 세포 20 수소 유속, 마우스 뼈 (21), 각종 이온 칼슘 플럭스를 수소 칼륨 및 칼슘 플럭스 식물 뿌리 (17)에 걸쳐, 염화물 플럭스를 측정하기 위해 사용되어왔다 곰팡이 균사 (22)과 R의 플럭스단일 세포 중에 각막 창상 23, 그리고 마지막으로 칼슘 플럭스 12, 24에서 치유. 또한 이온 선택적 자체 참조 미소 전극 (25)에 대한 자세한 내용은 다음 리뷰를 참조하십시오.
다음 문서를 준비하고 단일 세포 수준에서의 이온 선택 자체 참조 미세 전극 기술을 이용 내인성 세포 외 이온 플럭스의 측정을 수행하는 방법을 상세히 설명한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
생체 내에서 세포 외 이온 플럭스의 성공적인 측정을위한 가장 중요한 단계는 : 소음의 감소, 이온 선택성 미소 전극과 기준 전극의 정확한 제조 한 샘플과 두 전극의 위치.
잡음을 최소화하기 위해, 기록 방식이 바람직 또한 접지되어 금속 얹어 (제진) 테이블과 접지 된 패러데이에 있어야한다. 또한, 현미경 섀시는 또한 접지되어야한다. 전기 노이즈의 소스는 광원을 …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by National Science Foundation grant MCB-0951199, and in part by the NIH grant EY01910, California Institute of Regenerative Medicine grants RB1-01417 and by the Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) grant SFRH/BD/87256/2012.
Materials
| IonAmp | BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA | none | amplifier created by the BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA; Similar system can be purchased from “XBL function matters” (http://www.xuyue.org/) or from “YoungerUSA” (http://www.youngerusa.com/) or from Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
| IonAmp32 | BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA | none | software created by the BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA; Similar system can be purchased from “XBL function matters” (http://www.xuyue.org/) or from “YoungerUSA” (http://www.youngerusa.com/) or from Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
| Headstage pre-amplifier | BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA | INA116 | BSR Voltage Follower INA116, designed by the BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA; Similar system can be purchased from “XBL function matters” (http://www.xuyue.org/) or from “YoungerUSA” (http://www.youngerusa.com/) or from Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
| MicroStep Driver | BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA | none | three MicroStep drivers are required for X, Y and Z-positioning; created by the BioCurrents Research Center, Woods Hole, MA, USA; Similar system can be purchased from “XBL function matters” (http://www.xuyue.org/) or from “YoungerUSA” (http://www.youngerusa.com/) or from Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
| Manual micropositioner | World Precision Instruments | Model KITE-R | Similar system can be purchased from Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
| Magnetic stand | World Precision Instruments | Model M10 | Similar system can be purchased from Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
| Vibration isolation table | Newport Inc. | Model VW-3036-OPT-023040 | Similar system can be purchased from Applicable Electronics(http://www.applicableelectronics.com/) |
| Part of three dimentional micropositioner: angle bracket, 90°, slotted faces | Newport Inc. | Model 360-90 | Assemblage of the three dimantionnal micropositionner requires also Three electric rotary motors for X, Y, Z control, MPH-1 mounting arm with MCA-2 adjustable-angle post and Various Newport connectors and screws to bolt onto vibration table |
| Part of three dimentional micropositioner: Peg-Joining Dovetail Stage 0.5 inch X Travel | Newport Inc. | 460PD-X | none |
| Part of three dimentional micropositioner: Quick-Mount Linear Stage, 0.5 inch XY Travel | Newport Inc. | 460A-XY | none |
| Kwik-Fil thin walled borosilicate glass capillaries without filament | World Precision Instruments | TW150-4 | none |
| Electrode puller | Narishige | PC-10 | none |
| Metal rack | Made in-house | none | Metal electrode holder made in-house by drilling 2 mm wide holes half centimeter spaced in a 10cm by 15cm rectangular base of steel |
| Oven | QL | Model 10 Lab Oven | none |
| Silanization solution I | Sigma-Aldrich | 85126 | Hazardous, handle as recommended by provider |
| Glass Petri dish; Pyrex | Fisher Scientific | 316060 | none |
| Electrode/micropipette storage jar | World Precision Instruments | E215 | none |
| Glass dessicator | Fisher Scientific | 08-595E | Contains Drierite dessicant (W.A. Hammond Drierite Co. Ltd, Xenia, OH, USA). Place petroleum jelly on the seal to make it airtight. |
| Plastic Pasteur pipette | Fisher Scientific | 11597722 | none |
| Bunsen burner | Fisher Scientific | S97329 | none |
| Microscope slide | Sigma-Aldrich | S8902 | none |
| Straight microelectrode holder | Warner Instruments | QSW-A15P | with a gold 1 mm male connector and Ag/AgCl wire |
| Straight microelectrode holder | World Precision Instruments | MEH3S | with a AgCl(Ag+)pellet inside and a gold 2 mm male connector |
| 6 cm Petri dish | VWR | 60872-306 | none |
| Nitex mesh | Dynamic Aqua-Supply Ltd. | NTX750 | none |
| Glue; Loctite epoxy | VWR | 500043-451 | Mix glue and hardener in equal parts in a plastic weighing boat and mix thoroughly. Sets quickly but leave at RT for 24 h for full curing |
| Deionized water | Sigma-Aldrich | 99053 | none |
| Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | S7653 | none |
| Potassium Chloride | Sigma-Aldrich | P9333 | none |
| Calcium Chloride | Sigma-Aldrich | C1016 | none |
| Magnesium Chloride | Sigma-Aldrich | M8266 | none |
| Hepes | Sigma-Aldrich | H3375 | none |
| Sodium Hydroxyde | Sigma-Aldrich | S8045 | none |
| Potassium Acetate | Sigma-Aldrich | P1190 | none |
| Agarose | Sigma-Aldrich | A9539 | none |
References
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