Применения систем электрического картирования SCOPE
Системы электрического картирования (EMS) оснащены мультиэлектродными матрицами (MEA) нового поколения и высокопроизводительными усилителями. Современное программное обеспечение EMapping способствует быстрой регистрации потенциалов поля кардиологических образцов in vitro, in vivo и ex vivo. Электрическая активность и параметры проводимости могут быть детально изучены на тканевом уровне. Точность системы сбора данных позволяет достоверно выявлять аномалии ионных каналов. Система также может быть объединена с другими устройствами, такими как датчики давления в желудочках или коронарных сосудах, системы регистрации монофазного потенциала действия (MAP), датчики натяжения миокарда, модули контроля температуры перфузии и системы оптического картирования. Эти возможности значительно расширяют потенциал исследователей в области электрофизиологии сердца для более глубокого понимания механизмов сердечных аритмий. Система от SCOPE также является идеальным решением для эффективного скрининга новых антиаритмических препаратов и тестирования токсичности лекарств.
- Исследуемые животные: Данио-рерио, мыши, крысы, морские свинки, кролики, собаки, овцы, свиньи, обезьяны.
- Исследуемые образцы: Срезы и ткани сердца, проводящие ткани (синоатриальный узел, атриовентрикулярный узел, волокна Пуркинье), клетки iPSC, сердца in vivo и ex vivo, сетчатка, срезы мозга, ткани желудочно-кишечного тракта и матки и т. д..
Характеристики
- Высокопроизводительные усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
- Современное программное обеспечение для сбора данных и интуитивно понятного анализа.
- Передача данных: USB или оптоволоконная передача PXI.
- Различные размеры и конфигурации (раскладки).
- До 16 дополнительных каналов.
- Множественные входные/выходные (I/O) разъемы.
- USB CCD-камера.
- Источник питания 12 В постоянного тока (DC).
Оборудование
Усилитель EMS64-USB-1003
Система EMS64-USB-1003 состоит из 70 каналов (64+6) усилителей и аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Благодаря своей простой и компактной конструкции эта система является наиболее популярной для кардиологических и нейрональных электрофизиологических исследований. Она поддерживает мультиэлектродные матрицы (MEA) до 64 каналов для регистрации электрической активности с поверхности применимых тканей.
Характеристики
- 64 канала для ввода электрограмм.
- 6 дополнительных каналов для одновременной записи аналоговых сигналов, таких как ЭКГ, давление, сила натяжения, температура, монофазный потенциал действия (MAP) и др.
- Частота дискретизации до 10 кГц на каждом канале.
- 16-битное разрешение данных.
- Программируемый усилитель с цифровым управлением и коэффициентом усиления от 100 до 10 000.
- Внешний источник питания +12 В.
- USB CCD-камера;
- Совместимость: Программное обеспечение: EMapRecord, Windows 7, 8, 10, 11
Усилители: EMS64-USB-1003, EMS128-PXI-1002 и EMS256-PXI-1001
Мультиэлектродные матрицы (MEA): Электроды-ручки (Pen MEAs), гибкие матрицы (Flexible MEAs), стеклянные микроэлектродные матрицы, коннектор для мультиэлектродных зондов, переходник с 32 на 64 канала.
Стимулятор постоянного тока или напряжения
Стимулятор VCS-3002 представляет собой интегрированное устройство, оснащенное встроенным изолятором для подачи повторяющихся импульсов напряжения или тока на кардиологические и нейрональные образцы с минимальным уровнем шума базовой линии. Благодаря нескольким режимам вывода пользователи могут с большой гибкостью выбирать настройки для своих экспериментов. Устройство отличается удобным, лаконичным и эффективным интерфейсом с уникальными функциональными зонами и отображением параметров в реальном времени.
Характеристики
- Переключение между режимами вывода напряжения или тока.
- Несколько режимов запуска (триггера) на выбор.
- Несколько выбираемых режимов формы выходного сигнала.
- Переключаемая полярность выхода.
- Диапазон напряжения: -90 ~ 90 В; диапазон тока: -32 ~ 32 мА.
- Автоматическая защита от перегрузки
Системы ЭКГ и MAP
Система оснащена модулем детекции ЭКГ, который отвечает потребностям регистрации ЭКГ на сердцах in vivo или ex vivo и помогает в диагностике аритмии. Модуль детекции MAP в основном используется для регистрации монофазного потенциала действия в изолированном сердце (ex vivo).
Характеристики
- Коэффициент подавления синфазного сигнала: 85 дБ.
- Частота дискретизации: 10 кГц.
- Входной импеданс: 200 МОм.
- Сигналы ЭКГ или MAP могут регистрироваться синхронно с записью потенциала поля, с разницей во времени синхронизации 100 мкс.
Cистемы давления
Систолическая функция сердца отражает работу левого желудочка. Данный модуль может использоваться для определения перфузионного давления, систолического и диастолического давления в изолированном сердце и может записываться синхронно с регистрацией сигнала ЭКГ.
Характеристики
- Диапазон измеряемого давления: -20–300 мм рт. ст.
- Максимальное напряжение: 12 В постоянного/переменного тока (DC-AC).
- Чувствительность: ≤ 3 мкВ/В/мм рт. ст.
- Запись потенциала поля может быть синхронизирована с записью перфузионного давления, систолического и диастолического давления и т. д., с разницей во времени синхронизации 100 мкс.
Программное обеспечение
EmapRecord-Acquisition (Сбор данных)
- Непрерывный сбор данных по 256 каналам (плюс дополнительные каналы).
- Программируемое усиление сигнала.
- Широкий выбор конфигураций электродных матриц для различных областей применения.
- Видеопоток в реальном времени для точного позиционирования электродных матриц.
- Цифровая фильтрация в режиме онлайн.
- Гибкая потоковая передача данных.
- Простота установки и эксплуатации.
- Бесплатное обновление программного обеспечения
EmapScope-Analysis (Анализ)
- Одновременное отображение захваченных изображений препаратов, положения электродов и экспериментальных заметок; простая идентификация конфигурации электродов в соответствии с данными.
- Гибкий выбор интересующих областей (ROI).
- Цифровая фильтрация в режиме онлайн, спектральный анализ частоты и мощности.
- Интуитивно понятные трассы электрограмм, анализ времени активации, векторов и скорости проводимости.
- Гибкая потоковая передача данных.
- Пакетная обработка файлов, создание карт активации и проводимости, видеороликов и готовых к использованию графиков.
- Удобный экспорт результатов в виде таблиц данных, графиков, изображений или видео.
- Бесплатное обновление программного обеспечения.
Примеры применений систем электрического картирования
Оценка электрофизиологических свойств iPSC-кардиомиоцитов
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человека (iPSC) обладают способностью дифференцироваться в любой тип клеток организма, обеспечивая важный источник материала для исследований в области регенерации миокарда. Дифференцированные кардиомиоциты, сердечные полоски и органоиды, полученные из iPSC, необходимо тестировать на характеристики кардиомиоцитов перед их использованием. Технология многоканального электрического картирования позволяет регистрировать полевые потенциалы, ритмы и информацию о межклеточной проводимости для комплексной оценки электрофизиологических свойств клеток.
Исследование желудочковых аритмий и эктопической активности
Тропонин состоит из изоформ Casq1 и Casq2, которые регулируют высвобождение Ca2+ в саркоплазматическом ретикулуме скелетных мышц и сердца. Пациенты с генетическими нарушениями, связанными с мутациями Casq1 или Casq2, а также с эпизодами злокачественной гипертермии (MH) или теплового удара при физической нагрузке (EHS), склонны к развитию сердечных аритмий. В данном исследовании было обнаружено, что Casq1 регулирует высвобождение Ca2+ из саркоплазматического ретикулума и частоту сердечных сокращений. Дефицит Casq1 вызывал желудочковые аритмии, подобные MH/EHS, запуская реакцию олигомеризации Casq1 и нарушая его ингибирующее действие на высвобождение Ca2+, опосредованное рианодиновыми рецепторами 2 (RyR2).
В данном исследовании метод электрического картирования использовался для точной регистрации эктопической стимуляции, желудочковых экстрасистол и желудочковой тахикардии у мышей в группах Casq1 KO (нокаут) или Casq1 CKO (условный нокаут), что в сочетании с анализом ЭКГ подтвердило значимую роль Casq1 в работе сердца.
Литература: Zhipeng Sun, Luqi Wang, et.al.(2021) Functional Calsequestrin-1 is Expressed in the Heart and its Deficiency is Causally Related to Malignant Hyperthermia-Like Arrhythmia. Circulation, 2021 Sep 7:144(10):788-804. Epub 2021 Jun 24.
Исследование ремоделирования предсердий
Фактор роста фибробластов 21 (Fgf21) является основным эндокринным фактором, который, как было показано, играет важную роль в развитии сердечно-сосудистых заболеваний. Однако влияние Fgf21 на ремоделирование предсердий оставалось неясным. Целью данного исследования была оценка влияния Fgf21 на ремоделирование предсердий; в итоге было продемонстрировано, что Fgf21 эффективно подавляет этот процесс путем снижения окислительного стресса, что предлагает новую идею для лечения фибрилляции предсердий (ФП).
Фактор роста фибробластов 21 снижает индуцируемость ФП/предсердной тахикардии у мышей, получавших ангиотензин II (AngII), при этом аномалии сердечной проводимости являются важной характеристикой предсердных аритмий у мышей после воздействия AngII. В связи с этим авторы изучили влияние Fgf21 на электрическую проводимость предсердий с помощью системы электрического картирования. Исследование показало, что время проводимости в левом предсердии было значительно увеличено, в то время как время проводимости в правом предсердии существенно не изменилось в сердцах, предварительно обработанных AngII (Рисунок AC). Время предсердной проводимости значительно сократилось при лечении Fgf21 (Рисунок B); также Fgf21 уменьшил замедление проводимости от правого к левому предсердию (Рисунок D).
Литература: Miao Chen, et.al.(2021) Fibroblast Growth Factor 21 Protects Against Atrial Remodeling via Reducing Oxidative Stress. Front Cardiovasc Med. 2021 0ct 11; eCollection 2021.
Тканевая инженерия: Применение в исследованиях по восстановлению миокарда
Авторы разработали инъекционный электропроводящий пластырь для миокарда, состоящий из эластин-метакрилата, желатина и углеродных нанотрубок, обладающий памятью формы и иерархической пористой структурой. Механические и электрические свойства пластыря, а также эффект восстановления сердца оценивались на моделях крыс и мини-пигов. Было установлено, что пластырь эффективно улучшает функцию сердца после инфаркта.
В данном исследовании с помощью метода электрического картирования на изолированных сердцах крыс (по методу Лангендорфа) через 4 недели после операции изучалось влияние имплантации пластыря на электрическую проводимость от здорового к инфарктному миокарду. Электроды размещались в пограничной зоне между неповрежденным миокардом и областью инфаркта. Электрическая проводимость в сердце с инфарктом была замедлена, в то время как имплантация проводящего пластыря (EGC20 и RECP) значительно ускорила распространение возбуждения. По сравнению с группами EG и RCM, имплантация EGC20 или RECP существенно улучшила продольную и поперечную скорость проведения (CV) в зоне инфаркта.
Литература: Leyu Wang,et.al.(2021) Injectable and conductive cardiac patches repair infarcted myocardium in rats and minipigs. Nature Biomedical Engineering. 2021 0ct;5(10):1157-1173. Epub 2021 Sep 30.
Исследование активности водителей ритма в правом кольце предсердия
A. Препарат задней стенки правого предсердия, содержащий синусовый узел (СУ) и правое кольцо. Рамки показывают расположение матриц для картирования, охватывающих область СУ (8 X 8 внеклеточных электродов). Ведущий участок водителя ритма (определяемый как участок самой ранней активации) расположен в СУ; наблюдается антероградная проводимость в свободной стенке правого предсердия. Стрелки указывают направление проведения потенциала действия (ПД) от СУ к остальной части препарата.
B. Препарат, содержащий только правое кольцо (СУ и АВ-узел удалены). Рамка показывает расположение матрицы для картирования (6 X 10 внеклеточных электродов). На правой панели показано ретроградное проведение от участка водителя ритма в правом кольце к остальной части правого предсердия.
C. Типичные внутриклеточные потенциалы действия, зарегистрированные в участках водителей ритма в правом кольце и СУ.
AS предсердная перегородка; CT, пограничный гребень; IVC, нижняя полая вена; RAA, ушко правого предсердия; RR, правое кольцо; RV, правый желудочек; SN, синусовый узел; SVC , верхняя полая вена.
Литература: Functional, anatomical, and molecular investigation of the cardiac conduction system and arrhythmogenic atrioventricularring tissue in the rat heat. Atkinson AJ, Logantha SJ, Hao G, Yanni J, Anderson RH, Bovett MR, Dobrzynski, H. J AmHeart Assoc.2013 DEC 19;2(6):e000246.
Исследование проводимости предсердий и желудочков у ГМ-мышей
A. Репрезентативные карты эпикардиальной активации, зарегистрированные в сердцах мышей групп MKK4f/f и MKK4cko после воздействия TAC (стенозирование аорты). Красным цветом обозначена самая ранняя активация, синим - самая поздняя; цифры указывают время активации (мс). В сердце мышей MKK4cko-TAC наблюдалось замедление проводимости и распространения возбуждения. Мыши группы MKK4cko-TAC более предрасположены к желудочковым аритмиям и снижению скорости проведения.
B. Репрезентативные карты активации, вызванной стимуляцией в центре матрицы на эпикарде правого (RA) и левого (LA) предсердий мышей Mkk4F/F и Mkk4ACKO (a). У старых мышей группы Mkk4CKO проводимость в предсердиях была медленнее, чем у старых мышей Mkk4F/F.
Литература:
- Zi M,et.al. (2011) Mitogen-activated protein kinase kinase 4 deficiency in cardiomyocytes causes connexin 43 reduction and couples hypertrophy signals to ventricular arrhythmogenesis. J Biol Chem; 286:17821-17830
- Davies L., et.al. (2013) MKK4 is a negative regulator of the T -GF-β1 signaling associated with atrialremodelling and arrhythmogenesis with age. J Am Heart Assoc. 2014 Apr 10;3(2): e000340. doi: 10.1161/JA -HA.113.000340.
Исследование функции синусового узла
Канерт, Соаттин и соавт. показали, что дисфункция синусового узла при сердечной недостаточности, вероятно, является следствием снижения экспрессии белков, участвующих в электрической активности синусового узла. Это исследование также доказывает концепцию того, что воспаление является движущей силой и потенциальной мишенью при лечении дисфункции синусового узла. 64-канальная сверхгибкая мультиэлектродная матрица (MEA) была точно позиционирована на эндокардиальной поверхности интеркавальной области с использованием края пограничного гребня (CT) и отверстия верхней полой вены (SVC) в качестве ориентиров, как показано на рис. S12.
Литература: Kahnert K, Soattin L, Mills RW, et al. Proteomics couples electrical remodelling to inflammation in a murine model of heart failure with sinus node dysfunction. Cardiovasc Res. Published online April 25, 2024.
