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心臟光遺傳起搏細(xì)胞的熒光成像
（文獻(xiàn)部分內(nèi)容摘抄）
光遺傳學(xué)利用光來刺激轉(zhuǎn)基因細(xì)胞。石溪大學(xué)的研究人員計(jì)劃將這些細(xì)胞用作光學(xué)心臟起搏器。目前正在使用的高速攝像機(jī)監(jiān)測(cè)電池的工作情況，以便對(duì)信號(hào)的傳播模式有相關(guān)的了解。
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(huì)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(yàn)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(xì)胞來傳遞光脈沖沖，而不是電脈沖。這些細(xì)胞起到一種生物中繼系統(tǒng)的作用:光脈沖刺激細(xì)胞，當(dāng)與周圍組織耦合時(shí)，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(jìn)，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(dá)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。
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(rèn)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(xì)胞經(jīng)過基因修飾以對(duì)光脈沖做出反應(yīng)。生物醫(yī)學(xué)成功地利用光操縱腦細(xì)胞，隨后進(jìn)行了影響動(dòng)物行為的先進(jìn)研究。這種方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是心肌細(xì)胞不會(huì)被遺傳操縱，也不會(huì)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(xì)胞(如患者的干細(xì)胞)注射到心肌細(xì)胞中，以發(fā)揮起搏器的功能。
2、監(jiān)測(cè)串聯(lián)細(xì)胞
串聯(lián)細(xì)胞單位的想法是驗(yàn)證在細(xì)胞對(duì)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(cè)量系統(tǒng)被用來獲得詳細(xì)的、高速的和高分辨率的圖像，這些圖像記錄了電波在細(xì)胞團(tuán)中的傳播，并設(shè)計(jì)了心臟肌肉。實(shí)驗(yàn)室細(xì)胞樣本的結(jié)果令人鼓舞:心肌細(xì)胞的行為是相同的，不管它們是受到光學(xué)刺激的鄰近細(xì)胞的刺激，還是直接受到電脈沖的刺激，如用于標(biāo)準(zhǔn)心臟起搏器。但是如何測(cè)量整個(gè)細(xì)胞繼電器的功能--從光脈沖的開始到連接的心肌細(xì)胞的收縮?在更長時(shí)間的宮縮中是否可以測(cè)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(xì)胞團(tuán)投射535 nm的綠色光，而不會(huì)刺激光敏離子通道。這種熒光被光敏照相機(jī)記錄下來，并被處理成一系列圖像，描繪出細(xì)胞內(nèi)電活動(dòng)隨時(shí)間的準(zhǔn)確傳播。
3、突破相機(jī)技術(shù)的極限
相機(jī)必須滿足極其嚴(yán)格的要求，在實(shí)驗(yàn)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?yàn)槌烁咚俸透呖臻g分辨率的要求之外，來自細(xì)胞的熒光信號(hào)非常弱，需要高靈敏度檢測(cè)。電子倍增電荷耦合器件相機(jī)是專門為這類弱光信號(hào)設(shè)計(jì)的，它們?cè)鰪?qiáng)了傳感器捕捉到的信號(hào)。然而，它們未能滿足第二個(gè)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(jī)提供了較低的圖像分辨率?！拔覀?cè)囉昧嗽S多不同的攝像機(jī)，但一開始，沒有一個(gè)能滿足我們的嚴(yán)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(shí)，教授決定采用pco.1200 hs高速攝像機(jī)從德國/ Excelitas PCO 公司的這款相機(jī)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(dòng)態(tài)范圍缺點(diǎn)之一是CMOS圖像傳感器不能對(duì)來自細(xì)胞的微弱熒光信號(hào)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(qiáng)器來克服。
4、數(shù)據(jù)傳輸
在測(cè)量設(shè)備的一個(gè)瓶頸是數(shù)據(jù)流，因?yàn)楦邘俾室惨馕吨邤?shù)據(jù)量。相機(jī)中的存儲(chǔ)單元容量為4G，只能緩存較短的圖像序列，但在全速運(yùn)行時(shí)，攝像機(jī)每秒可以錄制1G的圖像。出于這個(gè)原因，科學(xué)家們連接了一個(gè)快速RAID存儲(chǔ)單元與幾塊硬盤連接到攝像機(jī)，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(jī)可以為實(shí)驗(yàn)的成功做出貢獻(xiàn)。EMCCD相機(jī)在過去這些年中當(dāng)然也取得了長足的進(jìn)步，但它們的性能還不能滿足要求，特別是在組合時(shí)空分辨率方面。
5、展望
光敏細(xì)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(jìn)的新相機(jī)系統(tǒng)如快速、靈敏的科學(xué) CMOS 相機(jī)系.統(tǒng)pco.edge，進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)量裝置的效率。
德國Excelitas PCO 公司的pco.edge5.5相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、弱光成像，高動(dòng)態(tài)范圍，高幀率等優(yōu)點(diǎn)，將研究實(shí)驗(yàn)過程完美記錄，為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
廣州市元奧儀器有限公司作為德國Excelitas PCO 公司的科學(xué)級(jí)相機(jī)在中國的代理商之一，為客戶提供各種成像系統(tǒng)解決方案，如對(duì)相關(guān)產(chǎn)品感到興趣，歡迎隨時(shí)聯(lián)系交流！
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