高速スキャンサイクリックボルタンメトリー（FSCV）は、非常に高いスキャン速度（最大1 × 10 6 V · s −1）。[1]高いスキャン速度を適用することで、数ミリ秒以内にボルタモグラムを迅速に取得することができ、この電気分析技術の高い時間分解能を保証します。10 Hzの取得速度が日常的に使用されています。
FSCVは炭素繊維微小電極と組み合わせることで、生物系における神経伝達物質、ホルモン、代謝物の検出に広く用いられるようになった。 [2]当初、FSCVはクロム親和性細胞（アドレナリンおよびノルアドレナリン）、脳切片（5-HT、ドーパミン、ノルエピネフリン）、そして麻酔下または覚醒状態で行動中の動物（ドーパミン）における電気化学的に活性な生体アミン放出の検出に成功裏に使用された。この方法のさらなる改良により、ラットおよびマウスの生体内で5-HT、HA、ノルエピネフリン、アデノシン、酸素、pH変化の検出、ならびにショウジョウバエにおけるドーパミンおよびセロトニン濃度の測定が可能となった。
FSCVの原則
高速スキャンサイクリックボルタンメトリー（FSCV）では、小さな炭素繊維 電極（マイクロメートルスケール）を生細胞、組織、または細胞外スペースに挿入します。[3] 次に、電極を使用して電圧を三角波のようにすばやく上げ下げします。電圧が適切な範囲（通常、±1ボルト）にある場合、対象化合物は繰り返し酸化および還元されます。これにより、溶液中の電子の移動が起こり、最終的に小さな交流電流（ナノアンペアスケール）が生成されます。[4] 結果として得られる電流からプローブによって生成されたバックグラウンド電流を差し引くことで、各化合物に固有の電圧対電流プロットを作成できます。[5]電圧振動の時間スケールはわかっているので、これを使用して、溶液中の電流を時間の関数としてプロットしたグラフを計算できます。各酸化還元反応で移動する電子数がわかっていれば、化合物の相対濃度を計算できます。
化学的特異性、高解像度、非侵襲性プローブなどの利点により、FSCVは生体内で変化する化学物質の濃度を検出する強力な手法となっています。[3] FSCVの化学的特異性は還元電位に由来します。すべての化合物は固有の還元電位を持っているため、交流電圧を設定して特定の化合物を選択できます。[5] その結果、FSCVはカタコールアミン、インドールアミン、 神経伝達物質などのさまざまな電気的に活性な生物学的化合物の測定に使用できます。[3]アスコルビン酸、酸素、一酸化窒素、水素イオン（pH ） に関する濃度変化も検出できます。[2] FSCVは、修正されたのこぎり馬波形を適用すると、チロシン残基を含む神経伝達物質も検出できます（Liu et al., 2022）。1つの化合物が正の酸化還元電位を持ち、もう一方が負の酸化還元電位を持つ限り、複数の化合物を同時に測定することもできます。高解像度は、電圧を非常に高速に変化させることによって実現されます。これは高速スキャンレートと呼ばれます。FSCVのスキャンレートは1秒未満で、化合物の酸化と還元はマイクロ秒単位で行われます。FSCVのもう一つの利点は、生体内で使用できることです。一般的な電極は、直径数マイクロメートルの小さな炭素繊維針で構成されており、生体組織に非侵襲的に挿入できます。[2] 電極のサイズは、非常に特定の脳領域をプローブすることを可能にします。そのため、FSCVは生体の化学変動の測定に効果的であることが証明されており、いくつかの行動研究と組み合わせて使用されています。
許容される電圧と電流の範囲は、FSCV の一般的な制限です。まず、電位は水の電気分解の電圧範囲内にとどまらなければなりません (Eo = ± 1.23)。さらに、細胞溶解と細胞脱分極を避けるために、結果として生じる電流は低く抑える必要があります。[4] 高速スキャンサイクリックボルタンメトリーも、差動測定のみを行うという点で制限があります。測定される電流はバックグラウンドに対する相対値のみであるため、安静時の濃度を定量化するために使用することはできません。これは、基礎電流レベルが pH などの要因に大きく影響されるため、時間が経つとこれらの値がドリフトする傾向があるためです。電極の使用年数も重要であり、プローブは使用期間が長くなるほど精度が低下する傾向があります。
この技術も電気的に活性な化合物の濃度の定量に限定されており、生物系内の特定の分子にのみ使用できます。 それにもかかわらず、電気活性基質を持つ非電気的酵素のレベルを測定する方法が開発されています。[4] しかし、このシナリオでは、電極プローブもデータ分解能の制限要因となります。 電気活性基質を測定する場合、プローブは対応する酵素でコーティングされることがよくあります。 酵素が異なる基質と相互作用するのを避けるために、電極は特定の種類のイオンに対して選択フィルターとして機能するポリマーでコーティングされます。 しかし、このポリマーが追加されると、電圧スキャンを行うことができる速度が低下し、実質的にデータ分解能が低下します。
アプリケーション
生体内でのドーパミンの測定
FSCVは、哺乳類の脳内ドーパミン濃度の変化を1nMまでの感度でリアルタイムにモニタリングするために使用されます。[6] 10Hzの取得速度は、神経伝達物質の放出とクリアランスの動態をサンプリングするのに十分な速さです。D1受容体およびD2受容体作動薬および拮抗薬（ラクロプリド、ハロペリドール）、ドーパミントランスポーター阻害薬（コカイン、ノミフェンシン、GBR 12909 ）などのドーパミン作動薬の薬理作用は、 FSCVを用いて評価できます。この高速取得速度により、行動中のドーパミン動態の研究も可能になります。
精神刺激薬（コカイン、アンフェタミン、メタンフェタミン）、オピオイド（モルヒネ、ヘロイン）、カンナビノイド、アルコール、ニコチンがドーパミン神経伝達および薬物依存の発症 に及ぼす影響をFSCVを用いて研究した。
ドーパミンは、学習、目標指向行動、意思決定を媒介する主要な神経伝達物質です。FSCVを投与された行動中の動物における生体内ドーパミン濃度のモニタリングにより、脳の意思決定プロセスにおけるドーパミンのコーディングが明らかになりました。[7] [8]
その他のモノアミン神経伝達物質の測定
FSCV は、クロマフィン細胞からのノルアドレナリンおよびアドレナリンのエキソサイトーシスの動態、肥満細胞からのセロトニンの放出、脳スライスにおける 5-HT の放出、麻酔をかけたげっ歯類およびショウジョウバエの脳における 5-HT の放出、麻酔をかけられ自由に動くげっ歯類の脳におけるノルエピネフリンの放出を研究するために使用されます。
参考文献
- ^ バード著『電気化学百科事典』ワイリー社、ISBN 978-3-527-30250-5。
- ^ abc Wightman, RM (2006). 「微小電極を用いた生物系における細胞化学の探究」. Science . 311 (5767): 1570– 1574. Bibcode :2006Sci...311.1570W. doi :10.1126/science.1120027. PMID 16543451. S2CID 2959053.
- ^ abc Robinson, DL; Venton, BJ; Heien, ML; Wightman, RM (2003年10月). 「高速スキャンサイクリックボルタンメトリーによる生体内におけるサブセカンドドーパミン放出の検出」. Clinical Chemistry . 49 (10): 1763–73 . doi : 10.1373/49.10.1763 . PMID 14500617.
- ^ abc Wassum, KM; Phillips, PE (2015年1月). 「動機づけと意思決定における神経化学的相関の探究」. ACS Chem Neurosci . 6 (1): 11–3 . doi :10.1021/cn500322y. PMC 4304500. PMID 25526380 .
- ^ ab Wipf, David O.; Kristensen, Eric W.; Deakin, Mark R.; Wightman, R. Mark (1988). 「高速スキャンサイクリックボルタンメトリーによる不均一系電子移動速度の測定法」.分析化学. 60 (4): 306– 310. doi :10.1021/ac00155a006.
- ^ Robinson, DL; Venton, BJ; Heien, ML; Wightman, RM (2003年10月). 「高速スキャンサイクリックボルタンメトリーによる生体内におけるサブセカンドドーパミン放出の検出」. Clinical Chemistry . 49 (10): 1763–73. doi : 10.1373 /49.10.1763 . PMID 14500617.
- ^ Glimcher, PW; Camerer, CF; Fehr, E.; et al., eds. (2008). Neuroeconomics: Decision Making and the Brain . Academic Press . ISBN 978-0123741769。
- ^ Gan, JO; Walton, ME; Phillips, PEM (2009). 「中脳辺縁系ドーパミンによる将来の報酬のコストとベネフィットの分離可能な符号化」Nature Neuroscience . 13 (1): 25– 27. doi :10.1038/nn.2460. PMC 2800310 . PMID 19904261.
さらに読む
- バード, AJ; フォークナー, LR (2000). 『電気化学的手法：基礎と応用（第2版）』John Wiley & Sons . ISBN 0-471-04372-9。
- マイケル・A・C、ボーランド・LM編（2007年）『神経科学のための電気化学的手法』CRC Press . ISBN 978-0-8493-4075-8。
