Визначення потенціалів дії багатьох клітин серця за потенціалами позаклітинних полів
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2023.93.70-77Ключові слова:
потенціали дії, потенціали поля, реконструкція сигналу, синхронність сигналу, чисельне моделювання, клітинна електрофізіологія, мікроелектродна решіткаАнотація
В сучасних біомедичних технологіях, системи з мікроелектродними решітками (МЕР) використовують разом з штучно вирощеними клітинами для вивчення біологічних механізмів захворювань і тестування впливу лікарських препаратів. Сучасні МЕР-системи вимірюють позаклітинні потенціали поля (ПП) культур клітин або тканин, але не можуть реєструвати внутрішньоклітинні потенціали дії (ПД) без технологічних модифікацій або додаткових пристроїв, що обмежує глибину аналізу електрофізіології клітин. Одним з можливих рішень проблеми нездатності МЕР-систем вимірювати ПД є їх математична реконструкція із зареєстрованих ПП. Однак точна реконструкція ПД декількох клітин одночасно ускладнюється такими факторами, як кількість клітин, синхронність та відмінність морфології їхніх ПД, ідентифікація їхніх електрофізіологічних параметрів та наявність шумів. Метою цієї статті є врахування синхронності, асинхронності та часткової синхронності ПД клітин в методі реконструкції. Щоб розв’язати поставлену задачу отримано систему рівнянь, здатну реконструювати ПД N клітин одночасно, використовуючи записані з N+1 електрода ПП. Система рівнянь враховує кількість клітин, синхронність ПД різних клітин та електричні властивості клітин та середовища. Модельні експерименти реконструкції ПД з ПП проведено для випадків з різними типами синхронності та за наявності шуму. Реконструйовані ПД у поєднанні із записаними ПП розширюють кількість електрофізіологічних характеристик для оцінювання кардіотоксичності в МЕР та інших багатоелектродних пристроях.
Посилання
References
Novellino, A., Scelfo, B., Palosaari, T., et al. (2011). Development of micro-electrode array based tests for neurotoxicity: assessment of interlaboratory reproducibility with neuroactive chemicals. Frontiers in Neuroengineering, Vol. 4. DOI: 10.3389/fneng.2011.00004.
Mulder, P., de Korte, T., Dragicevic, E., et al. (2018). Predicting cardiac safety using human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes combined with multi-electrode array (MEA) technology: A conference report. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods, Vol. 91, pp.36-42. DOI: 10.1016/j.vascn.2018.01.003.
Shih, H. T. (1994). Anatomy of the action potential in the heart. Texas Heart Institute Journal, Vol. 21, Iss. 1, pp. 30-41.
Boyett, M. R., Honjo, H. and Kodama, I. (2000). The sinoatrial node, a heterogeneous pacemaker structure. Cardiovascular research, Vol. 47, Iss. 4, pp. 658-687. DOI: 10.1016/s0008-6363(00)00135-8.
Tertoolen, L. G. J., Braam, S. R., Van Meer, B. J., Passier, R. and Mummery, C. L. (2018). Interpretation of field potentials measured on a multi electrode array in pharmacological toxicity screening on primary and human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Biochemical and Biophysical Research Communications, Vol. 497, Iss. 4, pp. 1135-1141. DOI: 10.1016/j.bbrc.2017.01.151.
Duan, X., Gao, R., Xie, P., et al. (2012). Intracellular recordings of action potentials by an extracellular nanoscale field-effect transistor. Nature Nanotechnology, Vol. 7, Iss. 3, pp.174-179. DOI: 10.1038/nnano.2011.223.
Cerea, A., Caprettini, V., Bruno, G., et al. (2018). Selective intracellular delivery and intracellular recordings combined in MEA biosensors. Lab on a Chip, Iss. 22, pp. 3492-3500. DOI: 10.1039/C8LC00435H.
Nick, C., Joshi, R., Schneider, J. J. and Thielemann, C. (2012). Three-Dimensional Carbon Nanotube Electrodes for Extracellular Recording of Cardiac Myocytes. Biointerphases, Vol. 7, Iss. 1. DOI: 10.1007/s13758-012-0058-2.
Dipalo, M., Amin, H., Lovato, L., et al. (2017). Intracellular and Extracellular Recording of Spontaneous Action Potentials in Mammalian Neurons and Cardiac Cells with 3D Plasmonic Nanoelectrodes. Nano letters, Vol. 17, Iss. 6, pp. 3932-3939. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01523.
Iachetta, G., Melle, G., Colistra, N., Tantussi, F., De Angelis, F. and Dipalo, M. (2022). Chronic cardiotoxicity assessment by cell optoporation on microelectrode arrays. bioRxiv, pp. 2022-06. DOI: 10.1101/2022.06.20.496820.
Jans, D., Callewaert, G., Krylychkina, O., et al. (2017). Action potential-based MEA platform for in vitro screening of drug-induced cardiotoxicity using human iPSCs and rat neonatal myocytes. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods, Vol. 87, pp. 48-52. DOI: 10.1016/j.vascn.2017.05.003.
Zlochiver, V., Kroboth, S. L., Beal, C. R., Cook, J. A. and Joshi-Mukherjee, R. (2019). Human iPSC-Derived Cardiomyocyte Networks on Multiwell Micro-electrode Arrays for Recurrent Action Potential Recordings. JoVE (Journal of Visualized Experiments), (149), p. e59906. DOI: 10.3791/59906.
Zhang, Z., Zheng, T. and Zhu, R. (2020). Single-cell individualized electroporation with real-time impedance monitoring using a microelectrode array chip. Microsystems & Nanoengineering, Vol. 6, Article number: 81. DOI: 10.1038/s41378-020-00196-0.
Davis, A. A., Farrar, M. J., Nishimura, N., Jin, M. M. and Schaffer, C. B. (2013). Optoporation and Genetic Manipulation of Cells Using Femtosecond Laser Pulses. Biophysical Journal, Vol. 105, Iss. 4, pp. 862-871. DOI: 10.1016/j.bpj.2013.07.012.
Ivanushkina, N. G., Ivanko, K. O., Shpotak, M. O. and Prokopenko, Y. V. (2022). Reconstruction of Action Potentials of Cardiac Cells from Extracellular Field Potentials. Radioelectronics and Communications Systems, Vol. 65, Iss. 7, pp. 354-364. DOI: 10.3103/S0735272722090047.
Visone, R., Ugolini, G. S., Cruz-Moreira, D., et al. (2021). Micro-electrode channel guide (µECG) technology: an online method for continuous electrical recording in a human beating heart-on-chip. Biofabrication, Vol. 13, Iss. 3, 035026. DOI: 10.1088/1758-5090/abe4c4.
Shpotak, M., Ivanushkina, N., Ivanko, K. and Prokopenko, Y. (2022). A Model for Simulation of Human Sinoatrial Node Action Potential. 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), pp. 422-425. DOI: 10.1109/elnano54667.2022.9927001.
Pohl, A., Wachter, A., Hatam, N. and Leonhardt, S. (2016). A computational model of a human single sinoatrial node cell. Biomedical Physics & Engineering Express, Vol. 2, Iss. 3, 035006. DOI: 10.1088/2057-1976/2/3/035006.
Visone, R., Talò, G., Occhetta, P., et al. (2018). A microscale biomimetic platform for generation and electro-mechanical stimulation of 3D cardiac microtissues. APL Bioengineering, Vol. 2, Iss. 4. DOI: 10.1063/1.5037968.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Михайло Шпотак
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
