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Tinte sensible al voltaje

Los colorantes sensibles al voltaje , también conocidos como colorantes potenciométricos , son colorantes que cambian sus propiedades espectrales en respuesta a los cambios de voltaje . [1] Pueden proporcionar mediciones lineales de la actividad de disparo de neuronas individuales , grandes poblaciones neuronales o actividad de miocitos . Muchos procesos fisiológicos están acompañados de cambios en el potencial de membrana celular que pueden detectarse con colorantes sensibles al voltaje. Las mediciones pueden indicar el sitio de origen del potencial de acción y pueden obtenerse mediciones de la velocidad y dirección del potencial de acción. [2]

Los colorantes potenciométricos se utilizan para monitorizar la actividad eléctrica en el interior de los orgánulos celulares en los que no es posible insertar un electrodo , como las mitocondrias y las espinas dendríticas . Esta tecnología es especialmente potente para el estudio de patrones de actividad en preparaciones multicelulares complejas. También permite medir las variaciones espaciales y temporales del potencial de membrana a lo largo de la superficie de células individuales.

Tipos de tintes

Pioneros de los colorantes sensibles al voltaje: A. Grinvald, LB Cohen, K. Kamino, BM Salzberg, WN Ross; Tokio, 2000

Sondas de respuesta rápida: son colorantes anfifílicos para tinción de membranas que suelen tener un par de cadenas de hidrocarburos que actúan como anclas de membrana y un grupo hidrófilo que alinea el cromóforo perpendicularmente a la interfaz membrana/acuoso. Se cree que el cromóforo sufre un gran cambio de carga electrónica como resultado de la excitación desde el estado fundamental al estado excitado y esto subyace al supuesto mecanismo electrocrómico para la sensibilidad de estos colorantes al potencial de membrana. Esta molécula (colorante) se intercala entre la parte lipófila de las membranas biológicas . Esta orientación asegura que la redistribución de carga inducida por la excitación se producirá en paralelo al campo eléctrico dentro de la membrana. Por lo tanto, un cambio en el voltaje a través de la membrana provocará un cambio espectral resultante de una interacción directa entre el campo y los momentos dipolares del estado fundamental y excitado .

Los nuevos colorantes de voltaje pueden detectar el voltaje con alta velocidad y sensibilidad utilizando transferencia de electrones fotoinducida (PeT) a través de un cable molecular conjugado. [3] [4]

Sondas de respuesta lenta: presentan cambios dependientes del potencial en su distribución transmembrana que van acompañados de un cambio de fluorescencia. Las sondas de respuesta lenta típicas incluyen carbocianinas y rodaminas catiónicas y oxonoles iónicos.

Ejemplos

Los colorantes sensibles al voltaje de uso común son los colorantes de aminonaftiletenilpiridinio sustituido (ANEP), como di-4-ANEPPS, di-8-ANEPPS y RH237. Dependiendo de sus modificaciones químicas que cambian sus propiedades físicas, se utilizan para diferentes procedimientos experimentales. [5] Fueron descritos por primera vez en 1985 por el grupo de investigación de Leslie Loew. [6] ANNINE-6plus es un colorante sensible al voltaje con respuesta rápida ( tiempo de respuesta ns) y alta sensibilidad. Guixue Bu et al. lo ha aplicado para medir los potenciales de acción de un solo túbulo t de cardiomiocitos. [7] Más recientemente, se introdujo una serie de colorantes ANEP fluorados que ofrecen una sensibilidad y fotoestabilidad mejoradas; también están disponibles en una amplia variedad de longitudes de onda de excitación y emisión. [8] Un estudio computacional reciente confirmó que los colorantes ANEP se ven afectados solo por el entorno electrostático y no por interacciones moleculares específicas. [9] También se utilizan con éxito otros andamios estructurales, como los xantenos, [10] .

Materiales

El material principal para obtener imágenes de la actividad cerebral con colorantes sensibles al voltaje son los propios colorantes. Estos colorantes sensibles al voltaje son lipofílicos y se localizan preferentemente en las membranas con sus colas hidrofóbicas. Se utilizan en aplicaciones que implican fluorescencia o absorción; actúan rápidamente y pueden proporcionar mediciones lineales de los cambios en el potencial de membrana. [11] Muchas empresas que ofrecen sondas fluorescentes para aplicaciones biológicas suministran colorantes sensibles al voltaje . Potentiometric Probes, LLC se especializa únicamente en colorantes sensibles al voltaje; tienen una licencia exclusiva para distribuir el amplio conjunto de VSD fluorados, comercializados bajo la marca ElectroFluor.

Se puede utilizar una variedad de equipos especializados junto con los colorantes, y las opciones de equipo variarán según las particularidades de la preparación. Esencialmente, el equipo incluirá microscopios especializados y dispositivos de imagen, y puede incluir lámparas técnicas o láseres. [11]

Fortalezas y debilidades

Las ventajas de obtener imágenes de la actividad cerebral con colorantes sensibles al voltaje incluyen las siguientes capacidades:

Las debilidades de la obtención de imágenes de la actividad cerebral con colorantes sensibles al voltaje incluyen los siguientes problemas:

Usos

Los colorantes sensibles al voltaje se han utilizado para medir la actividad neuronal en varias áreas del sistema nervioso en una variedad de organismos, incluido el axón gigante del calamar , [19] los barriles de bigotes de la corteza somatosensorial de la rata, [20] [21] el bulbo olfativo de la salamandra, [22] [23] [24] la corteza visual del gato, [25] el tectum óptico de la rana, [26] y la corteza visual del mono rhesus . [27] [28]

Se han publicado muchas aplicaciones en electrofisiología cardíaca, incluyendo el mapeo ex vivo de la actividad eléctrica en corazones completos de varias especies animales, [29] [30] imágenes subcelulares de cardiomiocitos individuales, [31] e incluso el mapeo de ritmos sinusales y arritmias en cerdos in vivo a corazón abierto , [18] donde los artefactos de movimiento podrían eliminarse mediante imágenes de relación de longitud de onda dual de la fluorescencia del tinte sensible al voltaje.

Referencias

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