明星模式生物 | 斑马鱼的心电采集和分析系统及其应用

2022-11-16 17:55:34, 玉研仪器上海玉研科学仪器有限公司

应用背景

斑马鱼是心脏相关研究的重要的模式生物，因其体积小，繁殖速度快，胚胎透明，且与人类基因组相似度高等特点，备受科研工作者的欢迎，是继小白鼠之后的第二大模式生物，也被称为“水中小白鼠”。

斑马鱼早期主要应用于发育生物学和遗传学研究，随着人们对其心脏发育相关基因和机理的发现，斑马鱼开始作为心脏研究的重要模型成为科研工作者的新宠儿。

斑马鱼与人类基因组的同源性高达73%，其心脏发育形态与人类幼儿心脏发育过程具有较强的相似性，均为双管腔结构发育而来；在心脏动作电位的激发上，斑马鱼的心电信号与人类的心电信号要比大小鼠更加相似，尤其是AP动作电位的去极化过程。此外，斑马鱼的心率为140-180 bpm，与人类胎儿心率(130-170 bpm)非常接近，而人类胎儿心率则比小鼠心率(300-600 bpm)要慢得多。因此，在心脏功能研究方面，斑马鱼比小鼠更具有优势，也更受科研人员的喜爱。

人类心脏结构、斑马鱼心脏结构、人体胚胎心脏发育过程、人类-斑马鱼-大鼠心电图及离子过程

斑马鱼心电采集和分析系统顾名思义是用于斑马鱼心电信号采集和分析的系统，主要应用于：心血管相关药物研发测试、心脏毒理测试、动物实验模型的构建等。本文将重点介绍两款实验室常用的斑马鱼心电采集设备和应用，分别来自美国iworx公司和德国MDE公司的斑马鱼心电采集和分析系统。

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目前，斑马鱼在心脏药理、毒理和疾病模型等领域发挥着越来越重要的作用，对斑马鱼心功能的评估是这些领域不可避免的问题。俗话说，工欲善其事必先利其器，本文以下将介绍几款斑马鱼心电采集和分析系统，以及其文献应用示例：

iWorx——斑马鱼心电采集和分析系统

iWorx 斑马鱼心电图记录和分析系统提供了一种高效、便捷、高通量、无创式的斑马鱼心电信号采集方案，可用于斑马鱼心电分析、心率变异性分析等，是心血管药物筛选、评估的有效工具。

特点：

①小巧轻便，使用方便、高效、高通量、操作简单；

②采样率高，低噪音，信噪比高；

③专业的心电分析软件，各波段间隔、峰值振幅量化分析；

系统组成：

①屏蔽室和心电采集传感器；

②心电信号采集器；

③心电分析软件；

屏蔽室为10×5×7.6cm的房室结构，该屏蔽盒通过铝制外壳接地，可极大降低环境中噪音的干扰。内置基座和电极，可放置1-2英寸（2.5-5cm）的斑马鱼，电极为可更换的Ag/AgCl电极，提高信号采集效率，对微弱的心电信号也具有较强的敏感性，两电极间距可根据需要选择合适的采集电极。

采集器用于记录和优化斑马鱼微伏数量级的ECG信号。正常斑马鱼心电在30-200uV之间，该系统噪音低至1微伏，因此具有提供非常高的信噪比，可用于精确分析ECG信号的微弱变化。

LabScribe ECG心电软件模块是专业的心电分析模块，旨在自动分析心电图数据，具有专业的斑马鱼心电分析模板。具体的分析模板包括准确描述PQRST的发作、持续时间和振幅。其他功能包括心跳平均、心跳分类和基于异常R-R间隔、心率、噪声和活动的异常值去除，以及轻松提取源数据和将数据平均为图像或文本文件的能力。LabScribe心电软件模块包括24个计算的综合列表，包括R-R, PR, QT, QR和QTc间隔，QRS, T, P和TP持续时间，P, Q, R, S, T振幅和ST抬高等。

应用示例1：

2020年，Jianhua Yan等通过iworx斑马鱼心电采集分析系统研究了“成年斑马鱼中与年龄相关的窦停搏和病窦综合征”，该研究定义了成年斑马鱼的基线SA（sinus arrest窦性停搏）和SSS（sick sinus syndrome病态窦房结综合征），并强调使用斑马鱼作为研究与衰老相关的SSS的替代模型。

实验表明PP间隔大于1.5秒作为定义成年斑马鱼窦性停止(SA)发作的标准。A, 59条野生型(WT)鱼和16条Tg型(SCN5A-D1275N)鱼1岁时的心电图数据总结。使用不同的PP间隔截距来确定SA的发作。B, 2条野生型(WT)鱼和3条Tg(SCN5A-D1275N)鱼，以1.2秒为开始时间，以1.6秒为截止时间，被认为有SA，通过复查原始心电图进一步分析。WT 1、2号鱼和Tg 2号鱼被认为是SA阳性，其他的则因为PP间隔时间长频率低而认为SA阴性。PP间隔大于1.5秒被推荐作为判定斑马鱼SA的标准。C，代表性SA在WT鱼和Tg(SCN5A-D1275N)鱼中的发作。Epm表示每分钟的发生次数。

应用示例2：

2018年，Hao Liu等采用液相色谱-高分辨率质谱联用技术(LC-HRMS)对稳心颗粒（WXKL）的化学成分进行分析，综合WXKL的化学信息和各组分的生物活性，计算各化合物的活性指数(activity index, AI)，筛选潜在活性化合物。结果表明，人参皂苷Rg1、人参皂苷Re、三七皂苷R1、枇杷苷和枇杷苷素等数十种化合物参与了WXKL的心脏保护作用。在斑马鱼幼体模型和成年斑马鱼体内测定了五种化合物的抗心律失常活性，分别通过计算幼鱼的心率和采集成鱼的心电信号用于评估药物效果。该研究结果为利用基于活性指数的方法结合斑马鱼体内模型快速发现中药活性成分提供了成功的范例。

基于活性指数计算的WXKL活性化合物筛选方案。

(A)化合物处理斑马鱼幼体的正常心率。n = 7。# P ﹤0.05与对照组比较，##P ﹤0.01与对照组比较，*﹤0.05, * * P ﹤0.01与模型。(B)心电图测量示意图，不同组心电图测量结果。n = 3。(C)表示不同组成年斑马鱼的心电图。

MDE——CARDIOFISH斑马鱼心电采集系统

CARDIOFISH系统是MDE GmbH公司的最新开发，它提供了一个检查成年斑马鱼心脏功能的机会。该系统可有效地用于药理学、安全药理学和毒理学方面候选药物分子的作用和副作用的检测。它也非常适合于心律失常和心肌再生能力的基础研究。

CardioFish系统是为了对斑马鱼腹部进行详细的电生理检查而开发的，包括三个主要单元:

①机械装置

②低噪声宽带模拟放大器

③数据分析、导出和可视化的硬件/软件

机械单元工作站和分析软件操作臂、电极和载鱼台

机械装置包含了微操作臂和宽带模拟放大器，用于斑马鱼定位和心电信号采集滤波放大。机械装置外壳为一个金属笼——法拉第笼，它确保完全屏蔽电磁场的干扰。微机械手可以很容易地水平调整，并具有可拆卸的电极支架，可以使用不锈钢预制电极，也可使用自行设计的电极或玻璃电极。

采集和分析软件使用标配的Cardiosys，该系统在心脏研究中已经被使用了15年，其稳定的性能和高效的分析能力，使研究人员可以快速简便地分析斑马鱼心电信号。

Cardiosys强大的心电图分析功能：

①光标分析：可以应用于采集特定振幅频率，在用户定义的心电图信号的光标位置，HR值被收集到一个图表中；

②心电图正常分析：用自动参数测量评估心电图，从用户选择的任何一个单一的可选周期；

③心电图平均分析。用户定义的继续心电图周期的数量可以被同步和平均化，允许提取低振幅的特征。自动参数测量可以在平均信号的任何用户定义的时间区域进行；

④心电图QT分析：计算合格的QT或QTc值，以及作为RR或HR函数的QT变异性（QTv），如果至少选择32个周期；

⑤心率变异性（HRV）分析。用时域和频域分析心脏频率的变化，还提供RR归一化分析；

使用案例：

iWorx和MDE区别和对比：

斑马鱼其他相关设备

高通量斑马鱼胚胎及幼鱼自动显微观察系统VAST BioImager

VAST生物成像系统是主要应用于需要对大量的斑马鱼胚胎和幼鱼（2-7天）进行组织器官水平成像的场景。该系统自动化了最苛刻的斑马鱼处理、定位和定位任务，通过程序控制运动电机和图像识别，对斑马鱼进行自动定位、分析处理，极大提高了实验效率。该系统还可以安装在一个直立的显微镜上，允许器官水平和细胞分辨率的成像任务，以便对斑马鱼幼虫进行高通量高含量筛选。

模式生物分析Copas

Copas是流式分类系统，主要用于自动分析和分类活的多细胞生物、细胞和其他20-1500微米大小的物体，该系统通过对不同尺寸和种类的生物或细胞对激光的吸收、散色效率的不同，通过软件分析以识别和区分他们，比控制电机对他们进行分类，是一种高效的模式生物分选系统。

斑马鱼行为学分析系统PsychoFish

PsychoFish系统是为监测斑马鱼的群体凝聚力（社会互动）和运动强度（定位运动活动）而开发的，该系统通过高速摄像机和专业的分析软件，对斑马鱼运动轨迹进行采集和分析，进而评估斑马鱼的社会互动能力和运动能力，为斑马鱼群体行为分析和运动分析提供了极大的便利。

产品相关文献：

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