用于单个内溶酶体囊泡分析的膜片钳技术
April 4th, 2025
该协议详细介绍了一种使用手动溶酶体膜片钳系统直接测量细胞内囊泡上离子通道活性的方法。我们说明了涉及扩大内溶酶体和手动分离这些囊泡的方法。这种方法确保研究人员可以准确地复制和应用该程序。
内溶酶体区室是细胞中最小的细胞器。传统的电生理技术无法直接测量其电压和电流变化。内溶酶体膜片钳技术可实现直接记录，使我们能够在离子通道中进行先前的研究。
主要的实验挑战是并非所有化合物都能有效地扩增溶酶体。识别合适的细胞很困难，即使使用理想的溶酶体，也不能保证成功的离子通道记录。我们开发了内溶酶体膜片钳技术，可实现来自内溶酶体膜的直接电生理记录。
这一突破使我们能够表征离子通道，例如 TRPML 和 TPC，揭示它们在病原体防御、神经元变性和代谢紊乱中的作用。我们的方法能够直接记录溶酶体离子通道，克服全细胞膜片钳大小限制，并在整合基于荧光的技术的同时改进囊泡选择。首先，将毛细管安装到极轴中。
按下键盘上的绿色拉动按钮。松开夹紧旋钮，从极性中取出拉出的移液器。接下来，将拉取的贴片移液器放入 Microforge 支架中。
使用 35 倍物镜和 15 倍目镜检查移液器吸头，总放大倍数为 525 倍。使用微型纵器将贴片移液器靠近灯丝。将温度旋钮设置为 80。
加热器打开后，按住脚踏开关 1 到 2 秒钟以施加短暂的热脉冲。抛光后，将抛光后的移液器放入密封盒中，以防止灰尘污染。向腔室中加入 1 毫升浴液。
从 24 孔板中取出装有处理过的 HEK 293 细胞的盖玻片。将盖玻片转移到显微镜室中。使用自制的塑料填充针将移液器溶液填充到隔离移液器中。
将装满的移液器安装在膜片钳装置的前端。在具有 40 倍物镜和 10 倍目镜的显微镜下，将分离移液管移动到足够扩大的内体或溶酶体附近。使用微型纵器降低隔离移液器，直到它接触到质膜边缘。
快速移动移液器以撕下一小块膜。使用相同的移液管，从另一侧按压细胞，以从细胞中挤出约 2 微米的内体/溶酶体。用适当的移液器溶液填充新抛光的补片移液器。
将移液器安装在放大器的前端。对移液器施加 20 至 50 毫巴的正压，并通过锁定阀门来保持压力。接下来，将移液器吸头移入浴液中，并将其置于视野的中心。
应用重复电流脉冲以确定移液器电阻、密封电阻和串联电阻。监测移液器吸头尺寸、密封形成和整个内溶酶体配置的建立。快速将移液器靠近目标囊泡的顶部。
观察由于液体从移液器流出而产生的囊泡移动或滚动。将移液器的偏移电压调整为零毫伏。立即释放正压，将囊泡拉向移液器，在一秒钟内形成 gigaseal。
对于整个囊泡记录，使用 2 到 5 毫秒的高压短脉冲来破坏移液器和细胞器之间接触点处的膜。将电压设置为 500 到 1000 毫伏。为了记录电流，使用宽范围的输入电压进行溶酶体电压钳实验，以评估膜特性。
在 gigaseal 形成过程中，电流响应迅速降低，表明溶酶体连接模式成功建立。重复施加连续输入电压记录了穿过内溶酶体膜的电流，显示基础电流、激动剂激活电流和泄漏电流。
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概述
本协议详细说明了一种使用手动内体溶酶体膜片钳系统直接测量细胞内囊泡离子通道活动的方法。这种方法确保研究人员能够准确复制和应用该程序。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 电生理学
- 细胞生物学
背景
- 内体溶酶体隔室是细胞中最小的细胞器。
- 传统的电生理技术无法直接测量它们的电压和电流变化。
- 内体溶酶体膜片钳技术能够直接记录。
- 识别适合该技术的细胞可能具有挑战性。
研究目的
- 开发一种直接从内体溶酶体膜上进行电生理记录的方法。
- 研究以前无法通过传统方法接触到的离子通道。
- 解决扩大溶酶体以进行有效记录的挑战。
使用的方法
- 手动内体溶酶体膜片钳系统。
- 扩大内体溶酶体以进行分离。
- 直接测量离子通道活动。
- 确定适合该技术的细胞类型。
主要结果
- 成功实施内体溶酶体膜片钳技术。
- 展示了从内体溶酶体膜上的直接记录。
- 确定了有效的溶酶体扩大化合物。
- 洞察内体溶酶体隔室中离子通道的行为。
结论
- 内体溶酶体膜片钳技术是研究离子通道的有价值工具。
- 该方法克服了传统电生理学的局限性。
- 未来的研究可以在此技术基础上探索细胞机制。
常见问题
Executive Industry Relevance
Direct electrophysiological analysis of endolysosomal ion channels addresses a critical gap in early drug discovery by enabling functional target validation within disease-relevant intracellular compartments. This technique enhances predictive confidence for ion channel drug targets implicated in neurodegenerative and metabolic disorders, supporting risk-adjusted portfolio decisions. Its integration into discovery workflows accelerates the identification and mechanistic de-risking of novel therapeutic targets.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct interrogation of endolysosomal ion channel function in native vesicle membranes.
- Supports mechanistic de-risking by clarifying the role of specific channels in disease pathways.
- Facilitates functional validation of targets linked to neurodegeneration and metabolic disorders.
- Improves predictive confidence for advancing ion channel modulators in the pipeline.
Screening & Assay Development
- Provides a platform for quantitative measurement of ion channel activity in isolated vesicles.
- Enables assay standardization and reproducibility through direct current and voltage recordings.
- Supports integration with fluorescence-based techniques for multiplexed readouts.
- Prepares validated systems for downstream compound screening and evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant systems by targeting endolysosomal dysfunction in human cell models.
- Bridges discovery and preclinical validation by enabling direct measurement of therapeutic modulation effects.
- Supports translational biomarker development through quantifiable electrophysiological outputs.
Pipeline & Workflow Integration
This method positions endolysosomal patch-clamp as a bridge from early discovery through lead identification and preclinical validation for ion channel targets.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing and pathway clarification for endolysosomal ion channels.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative electrophysiological data for assay development.
- Analytics: Provides direct current and voltage measurements to compare channel activity across conditions.
- Translational Research: Connects functional channel analysis to disease models and biomarker strategies.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for diverse ion channel target programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target validation.
- Operational Value: Standardizes direct vesicle analysis and supports reproducibility across teams.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions and reduces late-stage biological risk for ion channel programs.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of ion channel targets implicated in complex diseases.
Implementation Considerations
- Requires expertise in manual patch-clamp electrophysiology and vesicle isolation.
- Demands high-resolution microscopy and precision micro-manipulation instrumentation.
- Necessitates cross-team standardization for reproducible data generation.
- May require adaptation for different cell types or disease models based on vesicle size and accessibility.
- Success depends on effective lysosome enlargement and vesicle selection, as supported by the protocol.
