未来的电生理学上点亮一盏明灯

电生理学研究组织和细胞的电特性。研究可以在整个器官,如心脏,单离子通道蛋白在大脑细胞的细胞膜。

本文描述了如何使用电生理技术的学术研究和药物发现设置。它还考虑其使用可能的未来是什么样子,当我们考虑细胞兴奋性的新兴光学记者和成像技术,目前正在发展。本文利用科学家的专长在工作面工作与这些技术来回答这个问题,“电生理学的未来是什么?”

两栖的进步

生物电数百年来一直在探索自1700年代末以来,意大利科学家时,伽尔伐尼,用电极刺激蛙神经诱导腿部肌肉收缩。¹在1950年代,科学家们计算出电信号,或动作电位,由神经细胞是由离子的快速运动引起整个细胞的膜通过蛋白质通道,称为离子通道。²

补丁的突破

科学家们开始详细调查离子流。在1980年代,德国科学家,欧文内尔和伯特Sakmann发展一种技术,他们把电极内部中空玻璃微量吸液管。这个设置使他们移动小吸管吸一个小补丁前大脑细胞的细胞膜的口吸管。他们可以直接测量离子通道打开和关闭在这些补丁,并发现他们可以控制这些通道开放概率的注入电流夹膜的电压。这导致了膜片箝技术。应用更多的吸入和破裂时,他们发现他们可以测量整个细胞的电活动。革命性的技术,“全细胞膜片钳电生理”诞生了。³

另请参阅:如何设置一个膜片箝钻机

结合电生理学与新技术:提高洞察力

的实际方法patch-clamping自成立以来没有改变。然而,改善了和科学家使用的工具是利用光学和基因技术的进步做更复杂的实验,通过融合新技术和膜片箝调查。⁴

Scientifica博士基督教霍奇金病、应用专家,一个公司,专门从事开发电生理和成像解决方案,解释说:“神经科学家现在定期结合多光子激光成像光遗传学和电生理学探针深入单一神经元的运作和整体电路的大脑。”

这些技术可以用来探索细胞的电特性在培养皿中单层或3 d文化,自由移动的动物,提供令人难以置信的科学洞察力。

光遗传学的靶向表达光控离子通道、称为通道视紫红质,在细胞。在兴奋性细胞,激活通道的光使操纵他们的活动,根据频道视紫红质表达。不同的频道视紫红质可以去偏光和激发细胞存在⁵或hyperpolarise和沉默。⁶

阅读更多:光遗传学,控制细胞与光

多光子激光扫描显微镜可以针对激发细胞打下更深的组织,和一个optogenetic工具盒的存在。⁷

参见:多光子成像技术的最新进展

虽然先进,膜片钳电生理结合光遗传学是一种低吞吐量的方法没有立即服从药物发现环境。例如,在一只老鼠的大脑,运营商只能补丁一次少量的细胞,或植入电极64频道探索大脑细胞活动。它也需要大量的资本投资在专业设备和训练有素的员工。,它是一个内在变量和侵入性技术。

提高吞吐量

然而,电生理学仍需要药物发现行业尤其是在筛选与离子通道相互作用的化合物。最近的一项调查外包趋势的电生理测试专家合同研究组织发现有越来越多的电生理检测的需求。⁸

商业运营主管安德鲁•Southan博士Metrion生物科学,一个合同研究组织专门从事离子通道化验,解释说,“在药物开发您需要测试数以千计的化合物对离子通道的目标,对疗效和安全性,通过确认化合物不影响心脏动作电位。”

并补充道,“单一细胞电生理学是研究离子通道生理对照的试验。改进自动膜片钳系统支持快速高通量电生理检查,可以测试每小时超过600种化合物。”

高通量细胞电生理学是通过电镀在384孔板和使用自动化膜片钳系统执行屏幕。

在这些高通量筛选系统的需求建议增加了符合改善他们的功能,如giga-ohm海豹和改进的串联电阻。⁸

阅读更多:自动贴片夹紧的趋势

照亮另一个路径测量细胞的兴奋性

细胞兴奋性也可以用电压敏感染料改变他们的光发射光谱基于周围的电场。然而,其效用是受限制的,因为他们不能轻松地针对特定的细胞。克服这一障碍的基因编码的电压指标(GEVI),可以有针对性的对细胞的表达。这些GEVI分为两类:rhodopsin-based传感器,如QuasAr1和2⁹Archer1和2¹⁰和;传感器电压敏感域之间的融合和荧光蛋白质,如VSFP-Butterfly¹¹,电弧光¹²和ASAP1。¹³

哈佛大学教授亚当•科恩,描述了他的实验室已经开发出一种基因编码通道视紫红质和小说电压传感器光刺激和测量细胞的兴奋性。

GEVI的好处是,他们允许更高的吞吐量调查的细胞活动,作为他们的表达可以针对特定的细胞类型。也是微创表达GEVI兴奋细胞并观察他们的电生理活动的成像与修补,使更多的生理过程。

GEVI的缺点是它们不像其他电压明亮的记者,所以记录从深层组织细胞或过程困难重重,不利的信号噪声比。早期GEVI无法区分的单一动作电位由于他们的慢动力学。然而,更新、更快的动能GEVI,比如ASAP1¹³可以快速解决事件,如动作电位、保真度高。其他挑战的困难校准GEVI的膜电压的真正读出。同时,成像技术上的限制,如速度和光学传感器的分辨能力。

阅读更多: 使用GEVI照亮的大脑功能

光学审讯的电生理特性

发展先进的荧光钙记者GCamp6一样,还可以由基因编码的促进了光学记录神经元的动作电位。钙条目作为代理为膜去极化和兴奋性增加,和快速绑定和离解的钙允许这些记者跟踪细胞兴奋性高的忠诚。信噪比明显提高了这些记者,使成像小蜂窝组件深钙瞬变的组织。¹⁴

结合钙成像与光激化GCamp6表示红移的通道视紫红质C1V1,亚当·帕克博士,伦敦大学学院的一名资深研究员进行了完全光学神经回路的审讯在活的有机体内。¹⁵

正如亚当解释说,“我们可以同时激活神经元和形象他们的活动在活的有机体内使用2-Photon optogenetic激活的细胞使用GCamp6 C1V1和钙成像。”

并补充道,“使用光学方法意味着我们可以,第一次选择多个细胞刺激而记录的和感兴趣的数以百计的神经元附近,同时进行。这不仅增加吞吐量,而且使可视化的多个单元对周围神经回路的影响。”

参见:增加2-Photon视野

扩大吞吐量

见亚当科恩的TED演讲,亚当封隔器的科恩集团使用类似的方法,但他们用培养的神经元的发展通道视紫红质激活CheRiff,电压传感器,QuasAr1。⁹

视频显示快速传播通过神经预测膜去极化。这不是一个很难想象的跳这个系统可以作为一个表型屏幕测试化合物对可兴奋细胞的生理特性的影响。

作为马克•罗杰斯Metrion生物科学的首席科学官解释说,“激活细胞与光高通量筛选场景中是可取的。通道视紫红质不仅可以用来刺激细胞,他们也可以用来节奏活动。”

补充道,“这是一个改进之前的技术去偏光细胞需要改变细胞外的解决方案来提高外部钾浓度。”

的子公司QState哈佛教授的实验室,亚当科恩和Kevin Eggan使用各自的专有optogenetic和干细胞技术发展分析帮助药物发现的神经和心脏疾病。

电生理学的未来仍然是光明的

光学技术来测量和控制细胞的电活动先进的快速自1997年开办的¹⁶的前景,创造新的药物发现化验。这些技术的结合到细胞检测和自动含量高系统的发展,如OptoDyCE系统,使完全光学心脏电生理学¹⁷是一个增长领域。此外,这些光学工具与干细胞技术的结合提供了一个令人兴奋的新阶段的药物发现的时代。

然而,尽管进步的光学方法,这项技术还没有准备好取代电生理学。正如亚当·帕克说,“你不能做单通道记录成像技术。”

和所有的受访者同意,单细胞电生理学提供的见解仍是无价的。亚当封隔器和基督教霍奇金病描述膜片钳电生理的“真实”,和安迪Southan证实Metrion科学家们仍然执行确认单一细胞电生理学实验平台。

因此,似乎在可预见的未来,总是会有一个电生理学钻井平台在学术和工业研究和药物开发。

引用:

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