心臟光遺傳起搏細胞的熒光成像

來源：發(fā)布時間：2024-12-23

（文獻部分內(nèi)容摘抄）

光遺傳學(xué)利用光來刺激轉(zhuǎn)基因細胞。石溪大學(xué)的研究人員計劃將這些細胞用作光學(xué)心臟起搏器。目前正在使用的高速攝像機監(jiān)測電池的工作情況，以便對信號的傳播模式有相關(guān)的了解。

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每年，德國約有6.5萬名患者安裝了心臟起搏器。自1958年全植入式心臟起搏器被使用以來，其基本工作原理一直沒有改變:如果正常的心跳停止，電子系統(tǒng)會代替竇性節(jié)(心臟中的天然起搏器)傳遞電脈沖，從而引發(fā)心肌的收縮。

紐約州立大學(xué)石溪分校的研究人員目前正在試驗一種全新的概念。其基本原理是利用一小群遺傳基因改造的光敏細胞來傳遞光脈沖沖，而不是電脈沖。這些細胞起到一種生物中繼系統(tǒng)的作用:光脈沖刺激細胞，當(dāng)與周圍組織耦合時，將電脈沖傳輸?shù)叫呐K肌肉的其他部分。然后，心臟的收縮將由光纖電纜光學(xué)觸發(fā)。考慮到固態(tài)光源的改進，這可能帶來節(jié)能效益，并可能意味著電池的使用壽命增加10倍，延長到長達50年之久。與電導(dǎo)線相比，光纖電纜的生物相容性更好，更不容易斷裂。

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1、光的操控

光遺傳學(xué)這一新研究領(lǐng)域是生物醫(yī)學(xué)取得重要突破的領(lǐng)域。光遺傳學(xué)是基因工程和光學(xué)方法的結(jié)合，被認為是過去幾年生物醫(yī)學(xué)中令人興奮的研究領(lǐng)域之一。在光遺傳學(xué)應(yīng)用中，細胞經(jīng)過基因修飾以對光脈沖做出反應(yīng)。生物醫(yī)學(xué)成功地利用光操縱腦細胞，隨后進行了影響動物行為的先進研究。這種方法的一個優(yōu)點是心肌細胞不會被遺傳操縱，也不會被電導(dǎo)直接激發(fā)。因此，未來只需要將少量的轉(zhuǎn)基因細胞(如患者的干細胞)注射到心肌細胞中，以發(fā)揮起搏器的功能。

2、監(jiān)測串聯(lián)細胞

串聯(lián)細胞單位的想法是驗證在細胞對和在心臟組織光學(xué)追蹤光觸發(fā)的激發(fā)波。一種巧妙的測量系統(tǒng)被用來獲得詳細的、高速的和高分辨率的圖像，這些圖像記錄了電波在細胞團中的傳播，并設(shè)計了心臟肌肉。實驗室細胞樣本的結(jié)果令人鼓舞:心肌細胞的行為是相同的，不管它們是受到光學(xué)刺激的鄰近細胞的刺激，還是直接受到電脈沖的刺激，如用于標準心臟起搏器。但是如何測量整個細胞繼電器的功能--從光脈沖的開始到連接的心肌細胞的收縮?在更長時間的宮縮中是否可以測量?為了找到答案，研究小組使用了第二種光源，這種光源從側(cè)面向細胞團投射535 nm的綠色光，而不會刺激光敏離子通道。這種熒光被光敏照相機記錄下來，并被處理成一系列圖像，描繪出細胞內(nèi)電活動隨時間的準確傳播。

3、突破相機技術(shù)的極限

相機必須滿足極其嚴格的要求，在實驗設(shè)置中起著至關(guān)重要的作用。這種作用是十分重要的，因為除了高速和高空間分辨率的要求之外，來自細胞的熒光信號非常弱，需要高靈敏度檢測。電子倍增電荷耦合器件相機是專門為這類弱光信號設(shè)計的，它們增強了傳感器捕捉到的信號。然而，它們未能滿足第二個要求--在100萬像素模式每秒提供超過200張圖像的快速圖像序列的能力。另一方面，這種折衷是，極快的攝像機提供了較低的圖像分辨率?！拔覀冊囉昧嗽S多不同的攝像機，但一開始，沒有一個能滿足我們的嚴格要求，艾米莉亞·恩切娃回憶道。2005年，在EMCCD甄選過程結(jié)束時，教授決定采用pco.1200 hs高速攝像機從德國/ Excelitas PCO 公司的這款相機具有每秒636幅圖像的高幀速率，全分辨率為1280X1024像素，和10位的動態(tài)范圍缺點之一是CMOS圖像傳感器不能對來自細胞的微弱熒光信號提供足夠的靈敏度。然而，這可以通過使用適當(dāng)?shù)母咚賵D像增強器來克服。

4、數(shù)據(jù)傳輸

在測量設(shè)備的一個瓶頸是數(shù)據(jù)流，因為高幀速率也意味著高數(shù)據(jù)量。相機中的存儲單元容量為4G，只能緩存較短的圖像序列，但在全速運行時，攝像機每秒可以錄制1G的圖像。出于這個原因，科學(xué)家們連接了一個快速RAID存儲單元與幾塊硬盤連接到攝像機，以處理幾分鐘的監(jiān)控周期。這就解決了數(shù)據(jù)采集的難題，也就意味著CMOS攝像機可以為實驗的成功做出貢獻。EMCCD相機在過去這些年中當(dāng)然也取得了長足的進步，但它們的性能還不能滿足要求，特別是在組合時空分辨率方面。

5、展望

光敏細胞可以作為未來起搏器的“中繼器”。在接下來的幾年里，生物醫(yī)學(xué)埃米莉亞·恩切瓦打算在PCO的幫助下，利用更先進的新相機系統(tǒng)如快速、靈敏的科學(xué) CMOS 相機系.統(tǒng)pco.edge，進一步改進測量裝置的效率。

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