Введение
Оптическое картирование осуществляется с применением потенциал‑чувствительных и/или кальций‑чувствительных красителей, при этом системы визуализации используются для регистрации электрической активности и кальциевых транзиентов с поверхности сердца. Благодаря способности получать данные с высоким пространственно‑временным разрешением о электрофизиологических свойствах, оптическое картирование является популярным экспериментальным методом, который применяется для изучения фундаментальных механизмов, регулирующих электрическую стабильность сердца в норме и при патологии.
Исследуемые образцы: изолированное сердце, ткань предсердия, ткань желудочка, синоатриальный узел, атриовентрикулярный узел, волокна Пуркинье, срезы миокарда, слои кардиомиоцитов (включая слои кардиомиоцитов из иПСК—слои первичных клеток), ткани желудочно‑кишечного тракта, желчный пузырь и гладкая мускулатура матки.
*Обратите внимание: Система предназначена только для исследований на животных.
Регистрация электрофизиологических сигналов в иПСК-КМ
Кардиомиоциты, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК), инкубировали в культуральных чашках, а затем регистрировали данные о деполяризации и реполяризации потенциала действия, а также о кальциевых транзиентах.
Обнаружение электрофизиологических сигналов в изолированных сердцах
Одновременная регистрация потенциала действия (чёрный) и кальциевого транзиента (красный)
Система оптического картирования SCOPE
SCOPE предоставляет стандартные системы OMS-PCIE-1001, OMS-PCIE-1002 и OMS-PCIE-2002, а также системы, разработанные по индивидуальному заказу. Система оптического картирования с двойным сигналом позволяют пользователям одновременно регистрировать трансмембранный потенциал сердца и визуализировать распределение кальция. Новейшая система оптического картирования SCOPE оснащена научными КМОП-камерами с задней подсветкой, обладающими квантовой эффективностью (QE) 95 % и размером пикселя от 6,5 мкм×6,5 мкм до 11 мкм×11 мкм. Она обеспечивает высокоскоростной сбор данных с низким уровнем шума и динамическим диапазоном до 50 000:1 (94 дБ). Оптическая ось может быть сконфигурирована как вертикально, так и горизонтально. Для помощи исследователям в настройке коммуникационной системы предусмотрены различные I/O-разъёмы. Программное обеспечение Система оптического картирования также имеет усовершенствованный интуитивно понятный пользовательский интерфейс. Восьмиканальный TTL-контроллер предназначен для синхронизации таких устройств, как камера, контроллер светодиодного освещения, стимулятор, электрокардиограф (ЭКГ), датчик потенциала действия миокарда (MAP), а также датчики давления и температуры — с системой оптического картирования. OMapRecord/Scope — это современное программное обеспечение для сбора и анализа данных, отличающееся удобным интуитивно понятным интерфейсом и высокоэффективным управлением данными.
Особенности:
- Научные КМОП-камеры с задней подсветкой и квантовой эффективностью 95 %.
- Оптическая ось: вертикальная или горизонтальная.
- Усовершенствованное программное обеспечение: OMapRecord/Scope.
- Область детектирования: от 5 до 30 см.
- Максимальное разрешение: 2048×2048 пикселей.
- Высокая скорость и соотношение сигнал-шум.
- Динамический диапазон — до 50 000:1 (94 дБ).
- Частота дискретизации — до 5 кГц при разрешении 32×256 пикселей.
- Частота кадров ROI — до 3,5 кГц.
- Глубина цвета — 12 бит на пиксель.
- Точность синхронизации по TTL — выше 100 мкс.
- Покадровая съёмка.
- Потоковая передача данных.
- Индивидуальные вспомогательные устройства.
- Интерфейсы: USB 3.0 или PCIE.
OMS-PCIE-1001, OMS-PCIE-1002 and OMS-PCIE-2002
В системах OMS-PCIE-1001 и OMS-PCIE-1002 установлена одна КМОП-камера. Разница между ними заключается в следующем: первая способна регистрировать только один флуоресцентный сигнал — то есть либо кальций, либо трансмембранный потенциал, — тогда как вторая может одновременно регистрировать два флуоресцентных сигнала. В свою очередь, в системе OMS-PCIE-2002 предусмотрены две КМОП-камеры, позволяющие одновременно фиксировать сигналы по кальцию и трансмембранному потенциалу — каждая камера отвечает за свой параметр. По сути, OMS-PCIE-2002 является более предпочтительным выбором для записи двойных сигналов благодаря более высокому разрешению и меньшему затуханию сигнала.
Аппаратное обеспечение
Часть I
Предметный столик (вертикальный или горизонтальный), размеры: 1100×450×300 мм. КМОП-камера будет закреплена на столике.
Часть II
Разделитель длин волн излучения (585 нм и 700 нм), фильтры и высокоскоростные объективы с ручной фокусировкой и диафрагмой. Это ключевой элемент для разделения и сбора флуоресцентного света, а также отсечения паразитного света с целью регистрации флуоресцентных сигналов. Системы OMS-PCIE-1001, OMS-PCIE-1002 и OMS-PCIE-2002 различаются по части II (см. схематические иллюстрации ниже).
Часть II-OMS-PCIE-1001
- Оптический объектив 1: высокоскоростной объектив с диафрагменным числом f/0,95
- Оптический объектив 2: высокоскоростной объектив для флуоресцентной визуализации
- Оптический объектив 3: высокоскоростной объектив для флуоресцентной визуализации
- Длинноволновый фильтр: высококачественный длинноволновый фильтр с длиной волны отсечки 550 нм
- Фильтр X: высококачественный полосовой фильтр с центральной длиной волны (CWL) 585 нм (для регистрации кальция) и шириной на полувысоте (FWHM) 40 нм;
- либо высококачественный длинноволновый фильтр с длиной волны отсечки 700 нм (для регистрации трансмембранного потенциала)
- Высота адаптерного кольца: от 5 до 50 мм для регулировки размера области картирования
Часть II-OMS-PCIE-1002
- Оптический объектив 1: высокоскоростной объектив с диафрагменным числом f/0,95
- Оптический объектив 2: высокоскоростной объектив для флуоресцентной визуализации
- Оптический объектив 3: высокоскоростной объектив для флуоресцентной визуализации
- Длинноволновый фильтр 1: высококачественный длинноволновый фильтр с длиной волны отсечки 550 нм
- Длинноволновый фильтр 2: высококачественный длинноволновый фильтр с длиной волны отсечки 700 нм (для регистрации мембранного потенциала)
- Полосовой фильтр: высококачественный полосовой фильтр с центральной длиной волны (CWL) 585 нм (для регистрации кальция) и шириной на полувысоте (FWHM) 40 нм
- Дихроичное зеркало 1: длинноволновое дихроичное зеркало с длиной волны отсечки 638 нм
- Дихроичное зеркало 2: коротковолновое дихроичное зеркало с длиной волны отсечки 638 нм
- Высота адаптерного кольца: от 5 до 50 мм для регулировки размера области картирования
Часть II-OMS-PCIE-2002
- Оптический объектив 1: высокоскоростной объектив с диафрагменным числом f/0,95
- Оптический объектив 2: высокоскоростной объектив для флуоресцентной визуализации
- Оптические объективы 3/4: высокоскоростные объективы для флуоресцентной визуализации
- Длинноволновый фильтр 1: высококачественный длинноволновый фильтр с длиной волны отсечки 550 нм
- Длинноволновый фильтр 2: высококачественный длинноволновый фильтр с длиной волны отсечки 700 нм (для регистрации мембранного потенциала)
- Полосовой фильтр 2: высококачественный полосовой фильтр с центральной длиной волны (CWL) 585 нм (для регистрации кальция) и шириной на полувысоте (FWHM) 40 нм
- Дихроичное зеркало: длинноволновое дихроичное зеркало с длиной волны отсечки 638 нм
- Высота адаптерного кольца: от 5 до 50 мм для регулировки размера области картирования
Программное обеспечение
- Системные требования: Windows 7, 8, 10.
ПО OMapRecord
OMapRecord — это современное программное обеспечение для записи оптических данных. Его отличительные особенности специально разработаны, чтобы помочь исследователям беспрепятственно и автономно проводить эксперименты.
Ключевые особенности:
- сохранение конфигураций
- удобное редактирование протоколов
- отображение сигналов в режиме реального времени
- фильтрация в реальном времени
- маскирование данных
- компенсация дрейфа
- гибкая потоковая передача данных
- синхронная запись ЭКГ
- бесплатные обновления
ПО OMapScope
OMapScope — современное удобное программное обеспечение для анализа оптических данных. Оно создано, чтобы освободить исследователей от ручных операций, сэкономить время и упростить работу с большими объёмами качественных данных: для выполнения большинства аналитических функций достаточно одного клика. Программа также поддерживает форматы файлов данных RSH и RHD — это позволяет использовать её исследователям, работающим с различными системами оптической визуализации.
Ключевые особенности:
- Построение карты времени активации и расчет скорости проведения
- Анализ длительности потенциала действия и альтернансов
- Определение времени реполяризации и постоянной затухания (τ)
- Гибкий импорт потоковых данных
- Удобный экспорт данных в форматы Excel и PNG, а также в виде видеофайлов
- Анализ нескольких областей интереса (ROI)
- Фильтрация в реальном времени
- Инверсия полярности сигнала
- Анализ времени достижения пика
- Построение спектра доминирующей частоты
- Бесплатные обновления
Дополнительное оборудование для системы OMap
Только для использования в экспериментах на животных
Контроллер оптической системы OMSC801
- до 8 выходных каналов
- каждый канал может работать как автономно, так и совместно с другими каналами
- гибкая настройка импульсных сигналов
- максимальная выходная частота — 30 кГц
- 4 аналоговых входа для ввода данных
- разрешение аналоговых данных — 16 бит
- частота дискретизации — до 12,5 кГц
Контроллер LED (LEDC-2001)
- Управление лампами в режиме «ведущий– ведомый»
- Переключение между внутренним и внешним режимами управления током
- Синий светодиод: центральная длина волны 488 нм (например, FluoVolt, Calbryte 520, Fluo-4)
- Зелёный светодиод: центральная длина волны 520 нм (например, Rhod-2, RH237, Di-8-ANEPPS)
- Отображение рабочих параметров в режиме реального времени
- Автоматическая защита от перегрузки по току
Стимулятор (VCS-3002)
- Переключение между режимами выходного напряжения и выходного тока
- Выбор различных режимов запуска
- Выбор различных форм выходного сигнала
- Переключаемая полярность выходного сигнала
- Диапазон напряжения: от −90 до 90 В; диапазон тока: от −32 до 32 мА
Система контроля температуры (PCTC2001)
- Нагрев нагревательной пластины, нагрев регистрирующей ванны, модуль нагрева внешней инфузионной линии и т. д.
- Режим контроля температуры: внутренний или внешний.
- Датчик температуры передаёт данные о температуре в камере.
- Температура в камере отображается на ЖК‑дисплее (LCD).
- Точность контроля температуры: 0,1℃
- Диапазон контроля температуры: от 25 ℃ до 70 ℃
Примеры применений систем оптического картирования SCOPE
Применение картирования в монослойных клетках iPSC‑CMs
Оптическая система картирования может использоваться для одновременного измерения потенциала действия и кальциевых сигналов в iPSC‑CMs и индуцированном ими миокардиальном кольце. В этом случае исследователи наносили кальциевый краситель на клеточный слой iPSC‑CMs, чтобы выявить влияние стимуляции с различными частотами на внутриклеточные кальциевые сигналы.
(A) Записанные области клеток и места нанесения стимуляции.
(B) Изохронная карта проведения кальциевых сигналов, распределения амплитуды и длительности кальциевых транзиентов при стимуляции с различной частотой.
(C) Записанные формы кальциевых волн при различных частотах стимуляции.
Применение на срезах сердечной ткани
A) После получения срезов наблюдалась нормальная морфология кальциевых транзиентов. Инкубация с ингибитором hERG — цизапридом — приводила к увеличению длительности кальциевых транзиентов, что коррелирует с удлинением потенциала действия и интервала QT. Одновременная инкубация цизаприда и ATX-II (активатора позднего натриевого тока) вызывала выраженную деформацию кальциевых транзиентов и возникновение феномена ранних постдеполяризаций (EAD).
(B) Кривая распределения длительности кальциевых транзиентов (CaT90) до и после воздействия препаратов.
(A) Направление проведения возбуждения и форма потенциала действия в срезе сердца крысы при стимуляции с различной частотой.
(B) Карты активации потенциала действия и длительности потенциала действия (APD90) в срезе сердца крысы при стимуляции с различной частотой
(A) Карты активации кальциевых транзиентов и их длительности (CaT90) в срезе сердца крысы при стимуляции с различной частотой
Применение картирования в исследованиях аритмий - фибрилляция предсердий
Оптическая система картирования может использоваться для одновременного измерения потенциала действия и кальциевых сигналов в iPSC‑CMs и индуцированном ими миокардиальном кольце. В этом случае исследователи наносили кальциевый краситель на клеточный слой iPSC‑CMs, чтобы выявить влияние стимуляции с различными частотами на внутриклеточные кальциевые сигналы.
(A) Фибрилляция, вызванная методом внешнего воздействия (S1S2; интервалы S2 от 45 до 35 мс).
(B) Карты активации при стимуляции, эктопии, реентри и синусовом ритме, соответствующие формам волн потенциала действия.
(C)Частота возникновения предсердной эктопии или фибрилляции при каждом интервале S2.
(D) Количественная оценка эффективного рефрактерного периода предсердий.
(E, F) Изохронные карты альтернанса кальциевых транзиентов (CaT) в предсердиях и количественная оценка их амплитуд
Литература: Liao J, Zhang S, Yang S, et al. lnterleukin-6-mediated-Ca2+ Handling Abnormalities Contributes to atrial Fibrillation in Sterile Pericarditis rats[J]. Frontiers in immunology,2021, 12.
Применение картирования в исследованиях заболеваний сердца – старение
Оптическая система картирования может использоваться для оценки кардиобезопасности лекарственных препаратов на различных моделях заболеваний, выявления терапевтического действия препаратов в моделях заболеваний и поддержки фундаментальных исследований в рамках разработки лекарств для клинического применения. Перфузия чувствительного к напряжению красителя RH237 через сердце позволила обнаружить сигналы оптической маркировки и изменения в ответ на желудочковые аритмии.
(A) Схематическая диаграмма сердца: положения регистрации и стимуляции.
(B) Типичные формы сигналов ЭКГ in vitro при электрической стимуляции (ЭСС).
(C) Флуоресцентно‑меченные сигналы потенциала действия в сердцах групп нормальных и пожилых животных (или особей).
(D) Частота возникновения индуцированной ЭСС желудочковой тахикардии / желудочковой фибрилляции (n = 4 в каждой группе).
(E) Формы сигналов потенциала действия, полученные при частоте 5 Гц (до лечения, вверху) и 10 Гц (во время введения изопротеренола, внизу).
(F) Соответствующие изохронные карты проведения потенциала действия, полученные в указанные моменты времени. Стрелки указывают направление возбуждения.
Литература: Zou S, Qiu S, Su S, et al. Inhibitory G-protein-mediated modulation of sw delayed rectifier potassium channels contributes to increased susceptibility to arrhythmogenesis in aging heart [J]. Heart Rhythm, 2021
Применение картирования в исследовании симпатической нервной регуляции работы сердца
Роль нейропептида Y в электрофизиологии желудочков (внутриклеточная кальциевая сигнализация и проведение потенциала действия).
(A) Схематическая диаграмма, показывающая область картирования, и исходная осциллограмма, демонстрирующая влияние длительной высокочастотной (10 Гц, 2 мин) стимуляции звёздчатого ганглия на кальциевые и электрические сигналы (напряжение).
(B, C) Средние значения, показывающие влияние звёздчатых ганглиев в условиях блокады β‑адренорецепторов (n = 5).
(D–G) Влияние нейропептида Y, антагониста BlB0‑3304 (1 мкмоль/л, n = 5) и β‑адреноблокатора: амплитуда и временная динамика кальциевых сигналов изменялись под воздействием стимуляции звёздчатого ганглия.
Литература: Kalla M. Hao G, Tapoulal N, et l. The cardiac sympathetic co-transmitte neuropeptide Y is pro-arrhythmic following ST-elevation myocardial infarction despite beta-blockade[J]. European heart journal, 2020, 41(23): 2168-2179
