stringtranslate.com

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 por 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 se pueden obtener 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 se acompañan 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 han 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

  1. ^ Khadria A (noviembre de 2012). "Herramientas para medir el potencial de membrana de las neuronas". Revista biomédica . 45 (5): 749–762. doi :10.1016/j.bj.2022.05.007. PMC  9661650 . PMID  35667642. S2CID  249354518.
  2. ^ Cohen LB, Salzberg BM (1978). "Medición óptica del potencial de membrana". Reseñas de fisiología, bioquímica y farmacología . 83 : 35–88. doi :10.1007/3-540-08907-1_2. ISBN. 978-3-540-08907-0.PMID  360357 .
  3. ^ Woodford CR, Frady EP, Smith RS, Morey B, Canzi G, Palida SF, et al. (febrero de 2015). "Moléculas de PeT mejoradas para detectar ópticamente el voltaje en neuronas". Journal of the American Chemical Society . 137 (5): 1817–1824. doi :10.1021/ja510602z. PMC 4513930 . PMID  25584688. 
  4. ^ Sirbu D, Butcher JB, Waddell PG, Andras P, Benniston AC (octubre de 2017). "Tintes acoplados a estado de transferencia de carga y estado excitados localmente como sondas de activación de neuronas ópticamente sensibles" (PDF) . Química: una revista europea . 23 (58): 14639–14649. doi :10.1002/chem.201703366. PMID  28833695.
  5. ^ "Colorantes ANEP sensibles al potencial" (PDF) . Invitrogen . 24 de marzo de 2006.
  6. ^ Fluhler E, Burnham VG, Loew LM (octubre de 1985). "Espectros, unión a membranas y respuestas potenciométricas de nuevas sondas de cambio de carga". Bioquímica . 24 (21): 5749–5755. doi :10.1021/bi00342a010. PMID  4084490.
  7. ^ ab Bu G, Adams H, Berbari EJ, Rubart M (marzo de 2009). "Repolarización del potencial de acción uniforme dentro del sarcolema de cardiomiocitos ventriculares in situ". Revista biofísica . 96 (6): 2532–2546. Código Bibliográfico :2009BpJ....96.2532B. doi :10.1016/j.bpj.2008.12.3896. PMC 2907679 . PMID  19289075. 
  8. ^ ab Yan P, Acker CD, Zhou WL, Lee P, Bollensdorff C, Negrean A, et al. (diciembre de 2012). "Paleta de colorantes de hemicianina sensibles al voltaje fluorados". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 109 (50): 20443–20448. Bibcode :2012PNAS..10920443Y. doi : 10.1073/pnas.1214850109 . PMC 3528613 . PMID  23169660. 
  9. ^ Robinson D, Besley NA, O'Shea P, Hirst JD (abril de 2011). "Espectros de emisión de Di-8-ANEPPS en membranas de fosfolípidos/colesterol: un estudio teórico". The Journal of Physical Chemistry B . 115 (14): 4160–4167. doi :10.1021/jp1111372. PMID  21425824.
  10. ^ Fiala, Tomas; Wang, Jihang; Dunn, Matthew; Šebej, Peter; Choi, Se Joon; Nwadibia, Ekeoma C.; Fialova, Eva; Martinez, Diana M.; Cheetham, Claire E.; Fogle, Keri J.; Palladino, Michael J.; Freyberg, Zachary; Sulzer, David; Sames, Dalibor (20 de mayo de 2020). "Orientación química de colorantes sensibles al voltaje a células y moléculas específicas en el cerebro". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 142 (20): 9285–9301. doi :10.1021/jacs.0c00861. ISSN 0002-7863  . PMC 7750015. PMID  32395989. 
  11. ^ abcdefghij Baker BJ, Kosmidis EK, Vucinic D, Falk CX, Cohen LB, Djurisic M, Zecevic D (marzo de 2005). "Obtención de imágenes de la actividad cerebral con colorantes sensibles al voltaje y al calcio". Neurobiología celular y molecular . 25 (2): 245–282. doi :10.1007/s10571-005-3059-6. PMID  16050036. S2CID  1751986.
  12. ^ Zecević D (mayo de 1996). "Múltiples zonas de iniciación de picos en neuronas individuales reveladas por colorantes sensibles al voltaje". Nature . 381 (6580): 322–325. Bibcode :1996Natur.381..322Z. doi :10.1038/381322a0. PMID  8692270. S2CID  4322430.
  13. ^ Zhou WL, Yan P, Wuskell JP, Loew LM, Antic SD (febrero de 2008). "Dinámica de la retropropagación del potencial de acción en las dendritas basales de las neuronas piramidales corticales prefrontales". The European Journal of Neuroscience . 27 (4): 923–936. doi :10.1111/j.1460-9568.2008.06075.x. PMC 2715167 . PMID  18279369. 
  14. ^ Palmer LM, Stuart GJ (mayo de 2009). "Cambios del potencial de membrana en las espinas dendríticas durante los potenciales de acción y la entrada sináptica". The Journal of Neuroscience . 29 (21): 6897–6903. doi :10.1523/JNEUROSCI.5847-08.2009. PMC 6665597 . PMID  19474316. 
  15. ^ Acker CD, Yan P, Loew LM (julio de 2011). "Registro de transitorios de voltaje en espinas dendríticas mediante un único vóxel". Biophysical Journal . 101 (2): L11–L13. Bibcode :2011BpJ...101L..11A. doi : 10.1016/j.bpj.2011.06.021 . PMC 3136788 . PMID  21767473. 
  16. ^ Acker CD, Hoyos E, Loew LM (marzo de 2016). "EPSPs medidos en espinas dendríticas proximales de neuronas piramidales corticales". eNeuro . 3 (2): ENEURO.0050–15.2016. doi :10.1523/ENEURO.0050-15.2016. PMC 4874537 . PMID  27257618. 
  17. ^ Popovic MA, Carnevale N, Rozsa B, Zecevic D (octubre de 2015). "Comportamiento eléctrico de las espinas dendríticas revelado por imágenes de voltaje". Nature Communications . 6 (1): 8436. Bibcode :2015NatCo...6.8436P. doi :10.1038/ncomms9436. PMC 4594633 . PMID  26436431. 
  18. ^ ab Lee P, Quintanilla JG, Alfonso-Almazán JM, Galán-Arriola C, Yan P, Sánchez-González J, et al. (septiembre de 2019). "El mapeo óptico raciométrico in vivo permite la electrofisiología cardíaca de alta resolución en modelos porcinos". Investigación cardiovascular . 115 (11): 1659–1671. doi :10.1093/cvr/cvz039. PMC 6704389 . PMID  30753358. 
  19. ^ Grinvald A, Hildesheim R (noviembre de 2004). "VSDI: una nueva era en imágenes funcionales de dinámica cortical". Nature Reviews. Neuroscience . 5 (11): 874–885. doi :10.1038/nrn1536. PMID  15496865. S2CID  205500046.
  20. ^ Petersen CC, Grinvald A, Sakmann B (febrero de 2003). "Dinámica espaciotemporal de las respuestas sensoriales en la capa 2/3 de la corteza de barril de rata medida in vivo mediante imágenes de colorante sensibles al voltaje combinadas con registros de voltaje de células completas y reconstrucciones neuronales". The Journal of Neuroscience . 23 (4): 1298–1309. doi : 10.1523/JNEUROSCI.23-04-01298.2003 . PMC 6742278 . PMID  12598618. 
  21. ^ Petersen CC, Sakmann B (noviembre de 2001). "Columnas funcionalmente independientes de la corteza somatosensorial de barril de rata reveladas con imágenes de colorante sensibles al voltaje". The Journal of Neuroscience . 21 (21): 8435–8446. doi : 10.1523/JNEUROSCI.21-21-08435.2001 . PMC 6762780 . PMID  11606632. 
  22. ^ Cinelli AR, Hamilton KA, Kauer JS (mayo de 1995). "Actividad neuronal del bulbo olfatorio de la salamandra observada mediante imágenes de colorante sensibles al voltaje y a la velocidad de video. III. Propiedades espaciales y temporales de las respuestas provocadas por la estimulación odorífera". Journal of Neurophysiology . 73 (5): 2053–2071. doi :10.1152/jn.1995.73.5.2053. PMID  7542699.
  23. ^ Cinelli AR, Kauer JS (mayo de 1995). "Actividad neuronal del bulbo olfatorio de la salamandra observada mediante imágenes de colorante sensibles al voltaje y a la frecuencia de video. II. Propiedades espaciales y temporales de las respuestas provocadas por estimulación eléctrica". Journal of Neurophysiology . 73 (5): 2033–2052. doi :10.1152/jn.1995.73.5.2033. PMID  7623098.
  24. ^ Cinelli AR, Neff SR, Kauer JS (mayo de 1995). "Actividad neuronal del bulbo olfatorio de salamandra observada mediante imágenes de colorante sensibles al voltaje y a la velocidad de video. I. Caracterización del sistema de registro". Journal of Neurophysiology . 73 (5): 2017–2032. doi :10.1152/jn.1995.73.5.2017. PMID  7542698.
  25. ^ Arieli A, Sterkin A, Grinvald A, Aertsen A (septiembre de 1996). "Dinámica de la actividad en curso: explicación de la gran variabilidad en las respuestas corticales evocadas". Science . 273 (5283): 1868–1871. Bibcode :1996Sci...273.1868A. doi :10.1126/science.273.5283.1868. PMID  8791593. S2CID  23741402.
  26. ^ Grinvald A, Anglister L, Freeman JA, Hildesheim R, Manker A (1984). "Imágenes ópticas en tiempo real de la actividad eléctrica evocada naturalmente en el cerebro intacto de una rana". Nature . 308 (5962): 848–850. Bibcode :1984Natur.308..848G. doi :10.1038/308848a0. PMID  6717577. S2CID  4369241.
  27. ^ Slovin H, Arieli A, Hildesheim R, Grinvald A (diciembre de 2002). "La obtención de imágenes con tintes sensibles al voltaje a largo plazo revela la dinámica cortical en monos que se comportan". Journal of Neurophysiology . 88 (6): 3421–3438. doi :10.1152/jn.00194.2002. PMID  12466458.
  28. ^ Seidemann E, Arieli A, Grinvald A, Slovin H (febrero de 2002). "Dinámica de la despolarización y la hiperpolarización en la corteza frontal y el objetivo de la sacada". Science . 295 (5556): 862–865. Bibcode :2002Sci...295..862S. CiteSeerX 10.1.1.386.4910 . doi :10.1126/science.1066641. PMID  11823644. S2CID  555180. 
  29. ^ Matiukas A, Mitrea BG, Qin M, Pertsov AM, Shvedko AG, Warren MD, et al. (noviembre de 2007). "Tintes fluorescentes sensibles al voltaje en el infrarrojo cercano optimizados para el mapeo óptico en el miocardio perfundido con sangre". Heart Rhythm . 4 (11): 1441–1451. doi :10.1016/j.hrthm.2007.07.012. PMC 2121222 . PMID  17954405. 
  30. ^ Lee P, Yan P, Ewart P, Kohl P, Loew LM, Bollensdorff C (octubre de 2012). "Medición y modulación simultánea de múltiples parámetros fisiológicos en el corazón aislado utilizando técnicas ópticas". Pflügers Archiv . 464 (4): 403–414. doi :10.1007/s00424-012-1135-6. PMC 3495582. PMID  22886365 . 
  31. ^ Crocini C, Coppini R, Ferrantini C, Yan P, Loew LM, Tesi C, et al. (octubre de 2014). "Los defectos en la actividad eléctrica del túbulo T subyacen a alteraciones locales de la liberación de calcio en la insuficiencia cardíaca". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 111 (42): 15196–15201. Bibcode :2014PNAS..11115196C. doi : 10.1073/pnas.1411557111 . PMC 4210349 . PMID  25288764. 

Lectura adicional