صبغة حساسة للجهد

الأصباغ الحساسة للجهد ، والمعروفة أيضًا بالأصباغ البوتنسيومترية ، هي أصباغ تتغير خصائصها الطيفية استجابةً لتغيرات الجهد . ^{[ 1 ]} وهي قادرة على توفير قياسات خطية لنشاط إطلاق النبضات العصبية في الخلايا العصبية المفردة ، أو مجموعات كبيرة من الخلايا العصبية، أو نشاط الخلايا العضلية . تترافق العديد من العمليات الفيزيولوجية مع تغيرات في جهد غشاء الخلية ، والتي يمكن رصدها باستخدام الأصباغ الحساسة للجهد. قد تشير القياسات إلى موقع منشأ جهد الفعل ، كما يمكن الحصول على قياسات لسرعة واتجاه جهد الفعل. ^{[ 2 ]}

تُستخدم الأصباغ الكهروكيميائية لمراقبة النشاط الكهربائي داخل عضيات الخلية التي يتعذر إدخال قطب كهربائي فيها ، مثل الميتوكوندريا والزوائد الشجرية . وتُعد هذه التقنية فعّالة للغاية لدراسة أنماط النشاط في العينات الخلوية المعقدة متعددة الخلايا. كما أنها تُتيح قياس التغيرات المكانية والزمانية في جهد الغشاء على طول سطح الخلايا المفردة.

المجسات سريعة الاستجابة: هي أصباغ تلوين غشائية أمفيباثية ، تتكون عادةً من سلسلتين هيدروكربونيتين تعملان كمثبتات للغشاء، ومجموعة محبة للماء تُوجه الكروموفور عموديًا على سطح التماس بين الغشاء والوسط المائي. يُعتقد أن الكروموفور يخضع لتغير كبير في الشحنة الإلكترونية نتيجةً لإثارته من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة ، وهذا ما يُفسر آلية التلوين الكهربائي المفترضة لحساسية هذه الأصباغ لجهد الغشاء. يتخلل هذا الجزيء (الصبغة) الجزء المحب للدهون من الأغشية البيولوجية . يضمن هذا التوجيه أن إعادة توزيع الشحنة الناتجة عن الإثارة ستحدث بالتوازي مع المجال الكهربائي داخل الغشاء. وبالتالي، سيؤدي تغير الجهد عبر الغشاء إلى انزياح طيفي ناتج عن تفاعل مباشر بين المجال وعزوم ثنائي القطب في الحالتين الأرضية والمثارة .

تستطيع أصباغ الجهد الجديدة استشعار الجهد بسرعة وحساسية عاليتين باستخدام نقل الإلكترون المحفز ضوئياً (PeT) من خلال سلك جزيئي مترافق . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

المجسات بطيئة الاستجابة: تُظهر هذه المجسات تغيرات تعتمد على الجهد في توزيعها عبر الغشاء، مصحوبة بتغير في الفلورة. تشمل المجسات النموذجية بطيئة الاستجابة الكربوسيانينات والرودامينات الكاتيونية ، والأوكسونولات الأيونية .

تُعدّ أصباغ أمينونافثيليثينيل بيريدينيوم (ANEP) المُستبدلة، مثل di-4-ANEPPS وdi-8-ANEPPS وRH237، من الأصباغ الحساسة للجهد الكهربائي شائعة الاستخدام. وتُستخدم هذه الأصباغ في إجراءات تجريبية مختلفة تبعًا لتعديلاتها الكيميائية التي تُغيّر خصائصها الفيزيائية . ^{[ 5 ]} وقد وُصفت هذه الأصباغ لأول مرة عام 1985 من قِبل فريق بحث ليزلي لوي. ^{[ 6 ]} يُعدّ ANNINE-6plus صبغًا حساسًا للجهد الكهربائي يتميز باستجابة سريعة ( زمن استجابة نانوثانية ) وحساسية عالية. وقد استُخدم لقياس جهد الفعل في أنبوب T واحد من خلايا عضلة القلب بواسطة غويكسو بو وآخرون. ^{[ 7 ]} وفي الآونة الأخيرة، طُرحت سلسلة من أصباغ ANEP المُفلورة التي تُوفر حساسية مُحسّنة وثباتًا ضوئيًا أفضل؛ كما أنها متوفرة ضمن نطاق واسع من أطوال موجات الإثارة والانبعاث. ^{[ 8 ]} وقد أكدت دراسة حسابية حديثة أن أصباغ ANEP تتأثر فقط بالبيئة الكهروستاتيكية وليس بالتفاعلات الجزيئية المُحددة. ^{[ 9 ]} كما يتم استخدام هياكل أخرى بنجاح، مثل الزانثينات، ^{[ 10 ] .}

المادة الأساسية لتصوير نشاط الدماغ باستخدام الأصباغ الحساسة للجهد هي الأصباغ نفسها. تتميز هذه الأصباغ بأنها محبة للدهون ، وتفضل التمركز في الأغشية بفضل ذيولها الكارهة للماء. تُستخدم هذه الأصباغ في تطبيقات تتضمن التألق أو الامتصاص؛ وهي سريعة المفعول وقادرة على توفير قياسات خطية للتغيرات في جهد الغشاء. ^{[ 11 ]} تُوفر العديد من الشركات الأصباغ الحساسة للجهد، وهي نفسها التي تُقدم مجسات فلورية للتطبيقات البيولوجية. تتخصص شركة Potentiometric Probes, LLC حصريًا في الأصباغ الحساسة للجهد؛ ولديها ترخيص حصري لتوزيع مجموعة كبيرة من الأصباغ الحساسة للجهد المفلورة، والتي تُسوّق تحت العلامة التجارية ElectroFluor.

يمكن استخدام مجموعة متنوعة من المعدات المتخصصة بالتزامن مع الأصباغ، وتختلف خيارات المعدات تبعًا لخصوصيات التحضير. وتشمل هذه المعدات بشكل أساسي المجاهر المتخصصة وأجهزة التصوير، وقد تشمل مصابيح أو ليزرات تقنية. ^{[ 11 ]}

تشمل نقاط قوة تصوير نشاط الدماغ باستخدام الأصباغ الحساسة للجهد ما يلي:

• Measurement of population signals from many areas can be recorded simultaneously, and hundreds of neurons may be recorded from. Such multisite recordings may provide precise information on action potential initiation and propagation (including direction and velocity), and on the entire branching structure of a neuron.^[11]
• Measurements of spike activity in a ganglion that is producing behaviour can be taken and may provide information about how the behaviour is producing.^[11]
• In certain preparations the pharmacological effects of the dyes may be completely reversed by removing the staining pipette and allowing the neuron 1–2 hours for recovery.^[11]
• Dyes may be used to analyze signal integration in terminal dendritic branches. Voltage-sensitive dyes offer the only alternative to genetically encoded voltage sensitive proteins (such as Ci-VSP derived proteins) for doing this.^[11]
• More soluble dyes such as ElectroFluor-530s, or di-2-ANEPEQ may perfused internally into single cell through a patch pipet. This technique has permitted the study of electrical signals in individual dendrites^[12][13] and dendritic spines^{[14][15][16][17]} within brain slices.

Weaknesses of imaging brain activity with voltage-sensitive dyes include the following problems:

• Voltage-sensitive dyes may respond very differently from one preparation to another; typically tens of dyes must be tested in order to obtain an optimal signal.,^[11] imaging parameters, such as excitation wavelength, emission wavelength, exposure time, should also be optimized.
• Voltage-sensitive dyes often fail to penetrate through connective tissue or move through intracellular spaces to the region of membrane desired for study.^[11] Staining is a serious issue in applications of these dyes. Water-soluble dyes, such as ANNINE-6plus, ElectroFluor-530s, or di-2-ANEPEQ, do not suffer this problem.
• On the other hand, if the dyes are too water-soluble, staining may not persist. This can be addressed by utilizing dyes containing longer alkyl chains to increase lipophilicity.
• تُعدّ الضوضاء مشكلة في جميع التحضيرات التي تستخدم أصباغًا حساسة للجهد، وفي بعض التحضيرات قد تُحجب الإشارة بشكل كبير. ^{[ 11 ]} يمكن تحسين نسب الإشارة إلى الضوضاء باستخدام خوارزميات الترشيح المكاني أو الزمني. توجد العديد من هذه الخوارزميات؛ ويمكن الاطلاع على إحدى خوارزميات معالجة الإشارة في دراسة حديثة أجريت على صبغة ANNINE-6plus. ^{[ 7 ]}
• قد تتأثر الخلايا بشكل دائم بالعلاجات. ومن المحتمل حدوث آثار دوائية طويلة الأمد، كما أن الديناميكيات الضوئية للأصباغ قد تكون ضارة. ^{[ 11 ]} وقد ثبت أن الأصباغ الحساسة للجهد والمفلورة، التي طُوّرت حديثًا، تُخفف من هذه الآثار. ^{[ 8 ] [ 18 ]}

استُخدمت الأصباغ الحساسة للجهد لقياس النشاط العصبي في عدة مناطق من الجهاز العصبي لدى مجموعة متنوعة من الكائنات الحية، بما في ذلك المحور العصبي العملاق للحبار ، ^{[ 19 ]} وبراميل الشعيرات في القشرة الحسية الجسدية للفأر، ^{[ 20 ] [ 21 ]} والبصلة الشمية للسمندل، ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} والقشرة البصرية للقط، ^{[ 25 ]} والسقف البصري للضفدع، ^{[ 26 ]} والقشرة البصرية لقرد الريسوس . ^{[ 27 ] [ 28 ]}

تم نشر العديد من التطبيقات في الفيزيولوجيا الكهربائية القلبية، بما في ذلك رسم خرائط النشاط الكهربائي خارج الجسم الحي في قلوب كاملة من أنواع حيوانية مختلفة، ^{[ 29 ] [ 30 ]} والتصوير الخلوي الفرعي من خلايا عضلة القلب المفردة، ^{[ 31 ]} وحتى رسم خرائط كل من نظم الجيوب الأنفية وعدم انتظام ضربات القلب في قلب مفتوح في خنزير حي ، ^{[ 18 ]} حيث يمكن التخلص من تشوهات الحركة عن طريق تصوير نسبة الطول الموجي المزدوج لفلورة الصبغة الحساسة للجهد.