Καταγραφή, ανάλυση και μοντελοποίηση βιοηλεκτρικών σημάτων από ανθρώπινα Τ-λεμφοκύτταρα
Recording, analysis and modeling of bioelectrical signals from human T-lymphocytes
Keywords
Ηλεκτροφυσιολογία ; Τ-λεμφοκύτταρο ; Βιοϊατρικά σήματα ; Ψηφιακή επεξεργασία σήματος ; ΜοντελοποίησηAbstract
Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια των σπουδών του γράφοντος στο ΠΜΣ «Διαδικτυωμένα Ηλεκτρονικά Συστήματα», στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής, Τμήμα Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών, και πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Πειραματικής Νευροφυσιολογίας της Ιατρικής Σχολής του ΕΚΠΑ, υπό την επίβλεψη της αναπληρώτριας καθηγήτριας κ. Κορνηλίας Πουλοπούλου. Η εργασία ασχολείται με την λήψη βιοηλεκτρικών σημάτων από κύτταρα (συγκεκριμένα, από ανθρώπινα Τ-λεμφοκύτταρα) και την επεξεργασία των σημάτων με στόχο την ανάλυση και τη μοντελοποίησή τους. Η διαδικασία αυτή εντάσσεται στον απώτερο στόχο της συγκριτικής μελέτης των αποτελεσμάτων από κύτταρα που λαμβάνονται από υγιή άτομα και από ασθενείς (εν προκειμένω, πάσχοντες από Πολλαπλή Σκλήρυνση - ΠΣ), για την ακριβέστερη διαφοροδιάγνωση της νόσου, την καλύτερη κατανόηση των χαρακτηριστικών της και τη βελτίωση της χορηγούμενης αγωγής. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται προηγμένες μέθοδοι λήψης, καταγραφής και ανάλυσης σημάτων. Ειδικότερα, χρησιμοποιώντας την ηλεκτροφυσιολογική μέθοδο καθήλωσης δυναμικού τμήματος κυτταρικής μεμβράνης (patch-clamp) καταγράψαμε την ηλεκτρική δραστηριότητα των τασεοεξαρτώμενων διαύλων Καλίου (Kv1.3) στα ανθρώπινα Τ-λεμφοκύτταρα από περιφερικό αίμα ασθενών με ΠΣ. Η μελέτη των ηλεκτροφυσιολογικών ιδιοτήτων των διαύλων αυτών έγινε από καταγραφές ηλεκτρικών ρευμάτων επαγομένων από ορθογώνιες εκπολώσεις της κυτταρικής μεμβράνης των Τ-λεμφοκυττάρων από δυναμικό καθήλωσης -90 mV. Από την τιμή των καταγεγραμμένων ρευμάτων κορυφής υπολογίσαμε τον αριθμό των λειτουργικών διαύλων ανά λεμφοκύτταρο βάση της αγωγιμότητας των 12 pS του διαύλου Κν1.3.
Η στατιστική ανάλυση των δεδομένων μας κατέδειξε ότι α) οι ηλεκτροφυσιολογικές ιδιότητες του διαύλου Κν1.3 δεν παρουσίαζαν καμία διαφορά μεταξύ υγιών μαρτύρων και ασθενών όλων των ομάδων και β) τα ρεύματα κορυφής ή αλλιώς ο αριθμός των διαύλων Κν1.3 ανά κυτταρική επιφάνεια ήταν σημαντικά υψηλότερος στους ασθενείς με ΠΣ από ότι σε ασθενείς με άλλα νευρολογικά νοσήματα και υγιείς μάρτυρες. Το εύρημα ότι μόνον τα λεμφοκύτταρα των ασθενών με ΠΣ εκφράζουν σημαντικά μεγαλύτερο αριθμό λειτουργικών διαύλων Κν1.3 στην μεμβράνη τους αναδεικνύει τον δίαυλο αυτό ως πιθανό βιοδείκτη για την διαφοροδιάγνωση της νόσου αυτής από άλλες φλεγμονώδεις διαταραχές του κεντρικού νευρικού συστήματος (ΚΝΣ). Επιπροσθέτως το εύρημά μας έρχεται να προστεθεί σε άλλες έρευνες που υποστηρίζουν ότι ο δίαυλος Kv1.3 θα μπορούσε να λειτουργήσει ως θεραπευτικός στόχος σε αυταάνοσα νοσήματα.
Abstract
The present research thesis is submitted in partial fulfilment of the requirements for the Master degree program entitled «Internetworked Electronic Systems», in the departement of Electrical & Electronics Engineering at the University of West Attica and was conducted in the laboratory of Experimental Neurophysiology of the A’ Neurology department at the Medical school of Athens under the supervision of the head of the laboratory associate professor Dr. Cornelia Poulopoulou.
In this research project I performed the recordings and the processing of bioelectrical signals from human cells and more specifically human T-lymphocytes in order to analyse them and model their activation and inactivation characteristics. This project is part of a comparative study that runs in the laboratory of Experimental Neurophysiology using human T-lymphocytes from peripheral blood of both healthy individuals and patients with neurological and autoimmune disorders (herein we used peripheral blood from patients with Multiple Sclerosis ) in order to find biomarkers that may help in the differential diagnosis of the disease on one hand while trying to unravel the pathophysiological mechanisms associated with the disease and thus help recognize cellular components as therapeutic targets for the treatments for the disease.
Using the electrophysiological method of patch clamp, we recorded the electrical activity of potassium dependent channels (Kv1.3) in human T-cells from peripheral blood of patients with Multiple Sclerosis (MS). The electrophysiological properties of these channels were studied in T-cell by recording electrical current responses to rectangular voltage steps from a membrane holding potential of -90 mV. The number of functional channels expressed in each T-cell was determined by dividing the peak value of the recorded current in response to +40mV rectangular voltage step by the single Kv1.3 channel conductance. From the recorded current data we calculated whole cell conductance, half maximal activity of the cell current (V½), voltage sensitivity (dx) and activation and inactivation whole cell current kinetics (t) as well as steady state inactivation characteristics.
The statistical analysis of our calculated values showed that a)Kv1.3 channels in both healthy controls and patients of all groups had similar endogenous electrophysiological properties and b) T-cells from MS patients showed higher whole cell Kv1.3 peak current responses than patients with other neurological diseases and healthy controls, suggesting that MS patients’ lymphocytes express significantly higher KV1.3 functional channels in their membrane. This finding advocates the use of Kv1.3 channel level of expression as a potential biomarker for the differentiation of this disease from other inflammatory disorders of the central nervous system (CNS). Additionally our findings together with findings from other labs show that Kv1.3 channel could serve as a therapeutic target in autoimmune diseases.
Number of pages
50Post-graduate Program
Διαδικτυωμένα Ηλεκτρονικά ΣυστήματαLanguage
GreekCollections
Except where otherwise noted, this item's license is described as
Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα
Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα