電壓敏感性染料

電壓敏感性染料，又稱電位染料，是其光譜特性會因應電壓變化而改變的染料。它們能夠線性測量單一神經元、大型神經元群體或肌細胞的放電活動。許多生理過程都伴隨著細胞膜電位的變化，而這些變化可透過電壓敏感性染料偵測。測量結果可指示動作電位的起源位置，並可獲得動作電位的速度和方向等測量數據。

電位染料被用於監測無法插入電極的細胞胞器內的電活動，例如粒線體和樹突棘。這項技術對於研究複雜多細胞樣本中的活動模式尤其強大。它還使得測量單一細胞表面膜電位的空間和時間變化成為可能。

染料類型

快速反應探針：這些是兩親性的膜染色染料，通常有一對作為膜錨的碳氫鏈和一個親水基團，使發色團垂直於膜/水界面排列。發色團被認為在從基態激發到激發態時，會經歷巨大的電子電荷轉移，這被視為這些染料對膜電位敏感性的推定電致變色機制。這種分子（染料）會嵌入生物膜的親脂性部分。此種排列確保了激發誘導的電荷重新分佈將平行於膜內的電場。因此，跨膜電壓的變化將導致光譜位移，這是電場與基態和激發態偶極矩之間直接交互作用的結果。

新型電壓染料可透過共軛分子線進行光誘導電子轉移 (PeT)，以高速度和高靈敏度感測電壓。

慢速反應探針：這些探針的跨膜分佈會產生電位依賴性變化，並伴隨著螢光變化。典型的慢速反應探針包括陽離子碳菁和羅丹明，以及離子性氧雜菁。

實例

常用的電壓敏感性染料是取代的胺基萘乙烯基吡啶 (ANEP) 染料，例如 di-4-ANEPPS、di-8-ANEPPS 和 RH237。根據其改變物理性質的化學修飾，它們被用於不同的實驗程序。這些染料於1985年由 Leslie Loew 的研究團隊首次描述。ANNINE-6plus 是一種具有快速反應（奈秒反應時間）和高靈敏度的電壓敏感性染料。它已被卜貴學 (Guixue Bu) 等人應用於測量心肌細胞單一T小管的動作電位。近期，一系列氟化的ANEP染料被推出，提供更高的靈敏度和光穩定性；它們也提供多種激發和發射波長的選擇。最近的一項計算研究證實，ANEP染料僅受靜電環境影響，而不受特定分子交互作用的影響。其他結構骨架，如呫噸，也已成功應用。

材料

使用電壓敏感性染料進行大腦活動成像的核心材料是染料本身。這些電壓敏感性染料是親脂性的，並透過其疏水性尾部優先定位於細胞膜中。它們被用於涉及螢光或吸收的應用；它們作用迅速，並能夠線性測量膜電位的變化。許多提供生物應用螢光探針的公司都有供應電壓敏感性染料。Potentiometric Probes, LLC 公司專門從事電壓敏感性染料；他們擁有獨家授權，以 ElectroFluor 品牌銷售大量氟化的電壓敏感性染料 (VSD)。

可與染料配合使用多種專用設備，設備的選擇將根據樣本的特殊性而有所不同。基本上，設備將包括專用顯微鏡和成像裝置，並可能包括專業燈具或雷射。

優點與缺點

使用電壓敏感性染料進行大腦活動成像的優點包括以下能力：

• 可同時測量來自多個區域的群體信號，並可記錄數百個神經元的活動。此類多點記錄可提供關於動作電位起始和傳播（包括方向和速度）以及神經元整個分支結構的精確資訊。
• 可測量正在產生行為的神經節中的尖峰活動，並可能提供關於該行為如何產生的資訊。
• 在某些樣本中，去除染色吸管並讓神經元恢復1–2小時後，染料的藥理效應可完全逆轉。
• 染料可用於分析末端樹突分支中的信號整合。對於此類應用，電壓敏感性染料是除了基因編碼的電壓敏感蛋白（例如源自Ci-VSP的蛋白）之外的唯一選擇。
• 溶解度較高的染料，如 ElectroFluor-530s 或 di-2-ANEPEQ，可透過膜片鉗吸管內部灌注到單一細胞中。這項技術已允許研究腦切片中個別樹突和樹突棘的電信號。

使用電壓敏感性染料進行大腦活動成像的缺點包括以下問題：

• 電壓敏感性染料在不同樣本中的反應可能大相徑庭；通常必須測試數十種染料才能獲得最佳信號，成像參數（如激發波長、發射波長、曝光時間）也應進行優化。
• 電壓敏感性染料通常無法穿透結締組織或穿過細胞間隙到達欲研究的膜區域。染色是這些染料應用中的一個嚴重問題。水溶性染料，如 ANNINE-6plus、ElectroFluor-530s 或 di-2-ANEPEQ，則沒有這個問題。
• 另一方面，如果染料水溶性太強，染色可能無法持久。這可以透過使用含有較長烷基鏈以增加親脂性的染料來解決。
• 在所有使用電壓敏感性染料的樣本中，雜訊都是一個問題，在某些樣本中，信號可能被嚴重掩蓋。信噪比可透過空間濾波或時間濾波演算法來改善。現有許多此類演算法；在最近使用 ANNINE-6plus 染料的研究中可找到一種信號處理演算法。
• 細胞可能受到處理的永久性影響。可能會產生持久的藥理效應，且染料的光動力學可能具有破壞性。最近開發的氟化電壓敏感性染料已被證明可以減輕這些效應。

用途

電壓敏感性染料已被用於測量多種生物神經系統中數個區域的神經活動，包括魷魚巨軸突、大鼠體感皮層的鬍鬚桶、蠑螈的嗅球、貓的視覺皮層、青蛙的視頂蓋，以及恆河猴的視覺皮層。

在心臟電生理學領域已有許多應用發表，包括離體繪製各種動物物種的完整心臟電活動、對單一心肌細胞進行亞細胞成像，甚至在活體豬隻開胸手術中繪製竇性心律和心律不整，其中運動假影可透過電壓敏感性染料螢光的雙波長比率成像消除。

延伸閱讀

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