心脏光遗传起搏细胞的荧光成像

（文献部分内容摘抄）

光遗传学利用光来刺激转基因细胞。石溪大学的研究人员计划将这些细胞用作光学心脏起搏器。目前正在使用的高速摄像机监测电池的工作情况，以便对信号的传播模式有相关的了解。

每年，德国约有6.5万名患者安装了心脏起搏器。自1958年全植入式心脏起搏器被使用以来，其基本工作原理一直没有改变:如果正常的心跳停止，电子系统会代替窦性节(心脏中的天然起搏器)传递电脉冲，从而引发心肌的收缩。

纽约州立大学石溪分校的研究人员目前正在试验一种全新的概念。其基本原理是利用一小群遗传基因改造的光敏细胞来传递光脉冲冲，而不是电脉冲。这些细胞起到一种生物中继系统的作用:光脉冲刺激细胞，当与周围组织耦合时，将电脉冲传输到心脏肌肉的其他部分。然后，心脏的收缩将由光纤电缆光学触发。 考虑到固态光源的改进，这可能带来节能效益，并可能意味着电池的使用寿命增加10倍，延长到长达50年之久。与电导线相比，光纤电缆的生物相容性更好，更不容易断裂。

1、光的操控

光遗传学这一新研究领域是生物医学取得重要突破的领域。光遗传学是基因工程和光学方法的结合，被认为是过去几年生物医学中令人兴奋的研究领域之一。在光遗传学应用中，细胞经过基因修饰以对光脉冲做出反应。生物医学成功地利用光操纵脑细胞，随后进行了影响动物行为的先进研究。这种方法的一个优点是心肌细胞不会被遗传操纵，也不会被电导直接激发。因此，未来只需要将少量的转基因细胞(如患者的干细胞)注射到心肌细胞中，以发挥起搏器的功能。

2、监测串联细胞

串联细胞单位的想法是验证在细胞对和在心脏组织光学追踪光触发的激发波。一种巧妙的测量系统被用来获得详细的、高速的和高分辨率的图像，这些图像记录了电波在细胞团中的传播，并设计了心脏肌肉。实验室细胞样本的结果令人鼓舞:心肌细胞的行为是相同的，不管它们是受到光学刺激的邻近细胞的刺激，还是直接受到电脉冲的刺激，如用于标准心脏起搏器。但是如何测量整个细胞继电器的功能--从光脉冲的开始到连接的心肌细胞的收缩?在更长时间的宫缩中是否可以测量?为了找到答案，研究小组使用了第二种光源，这种光源从侧面向细胞团投射535 nm的绿色光，而不会刺激光敏离子通道。这种荧光被光敏照相机记录下来，并被处理成一系列图像，描绘出细胞内电活动随时间的准确传播。

3、突破相机技术的极限

相机必须满足极其严格的要求，在实验设置中起着至关重要的作用。这种作用是十分重要的，因为除了高速和高空间分辨率的要求之外，来自细胞的荧光信号非常弱，需要高灵敏度检测。电子倍增电荷耦合器件相机是专门为这类弱光信号设计的，它们增强了传感器捕捉到的信号。然而，它们未能满足第二个要求--在100万像素模式每秒提供超过200张图像的快速图像序列的能力。另一方面，这种折衷是，极快的摄像机提供了较低的图像分辨率。“我们试用了许多不同的摄像机，但一开始，没有一个能满足我们的严格要求，艾米莉亚·恩切娃回忆道。2005年，在EMCCD甄选过程结束时，教授决定采用pco.1200 hs高速摄像机从德国/ Excelitas PCO 公司的这款相机具有每秒636幅图像的高帧速率，全分辨率为1280X1024像素，和10位的动态范围缺点之一是CMOS图像传感器不能对来自细胞的微弱荧光信号提供足够的灵敏度。然而，这可以通过使用适当的高速图像增强器来克服。

4、数据传输

在测量设备的一个瓶颈是数据流，因为高帧速率也意味着高数据量。相机中的存储单元容量为4G，只能缓存较短的图像序列，但在全速运行时，摄像机每秒可以录制1G的图像。出于这个原因，科学家们连接了一个快速RAID存储单元与几块硬盘连接到摄像机，以处理几分钟的监控周期。这就解决了数据采集的难题，也就意味着CMOS摄像机可以为实验的成功做出贡献。EMCCD相机在过去这些年中当然也取得了长足的进步，但它们的性能还不能满足要求，特别是在组合时空分辨率方面。

5、展望

光敏细胞可以作为未来起搏器的“中继器”。在接下来的几年里，生物医学埃米莉亚·恩切瓦打算在PCO的帮助下，利用更先进的新相机系统如快速、灵敏的科学 CMOS 相机系.统pco.edge，进一步改进测量装置的效率。

德国Excelitas PCO 公司的pco.edge5.5相机，具备高分辨率、高感光度、弱光成像，高动态范围，高帧率等优点，将研究实验过程完美记录，为实验提供强而有力的图像数据支持。

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