Les membranes cellulaires des neurones sont peuplées de canaux ioniques qui contrôlent le déplacement des charges vers et hors de la cellule, régulant ainsi l’activité électrique des neurones. Une technique extrêmement utile pour l’étude des propriétés biophysiques de ces canaux est appelée l’enregistrement par patch-clamp. Dans cette méthode, les neuroscientifiques placent une micropipette de verre polie contre une cellule et appliquent une succion pour former un joint de haute résistance. Ce procédé isole une petite partie (« patch ») de la membrane qui contient un ou plusieurs canaux ioniques. En utilisant une électrode à l’intérieur de la micropipette, les chercheurs peuvent fixer (« clamp ») ou contrôler les propriétés électriques de la membrane, ce qui est important pour l’analyse de l’activité du canal. L’électrode permet aussi aux changements de tension à travers la membrane, ou aux flux d’ions à travers la membrane, d’être enregistrés.
Cette vidéo commence avec une vue d’ensemble sur les principes derrière l’électrophysiologie patch-clamp, une introduction à l’équipement nécessaire et les descriptions des divers configurations de « patch », incluant la cellule entière, la cellule attachée, la perforée, l’inside-out et l’outside-out. Ensuite, les étapes clés d’une expérience typique de patch-clamp cellule entière sont définies, dans laquelle une courbe de courant-tension est générée. Finalement, des utilisations d’enregistrement de patch-clamp sont fournies pour démontrer comment les propriétés biophysiques des canaux ioniques, l’excitabilité cellulaire et les composés neuro-actifs sont évalués dans les labos de neurophysiologie aujourd’hui
L’enregistrement patch-clamp est une technique extrêmement utile pour l’étude des propriétés biophysiques des canaux ioniques qui contrôlent l’activation neuronale.
La procédure implique de presser une micropipette en verre sur une cellule, en vue d’isoler une petite partie « patch » de la membrane qui contient un ou plusieurs canaux ioniques.
L’installation expérimentale permet encore aux scientifiques de fixer « clamp » l’environnement électrique de la zone, en contrôlant précisément la tension à travers la membrane cellulaire, tension qui, en fonction des canaux ioniques présents, impacte le flux d’ions traversant la membrane et permet une étude complexe de ces canaux.
Cette vidéo présente un aperçu des principes derrière la technique de patch-clamp, une description des étapes nécessaires pour exécuter une expérience et finalement quelques utilisations de cette méthode.
Tout d’abord, regardons les principes sur lesquels sont basés l’enregistrement patch-clamp.
Le nombre d’ions chargés positivement et négativement à l’intérieur d’un neurone diffère du nombre présent à l’extérieur.
Ce non-équilibre génère une différence de tension, ou un potentiel de membrane, d’environ -70 mV, ce qui signifie que l’intérieur est plus négatif que l’extérieur.
Les canaux ioniques aident à maintenir le gradient en contrôlant le mouvement des ions à travers la cellule membranaire, ces mouvements sont des courants électriques.
En utilisant la technique du patch-clamp, les scientifiques posent des questions à propos de la nature du potentiel et du courant.
L’équipement du patch-clamp inclut une micropipette en verre, qui contient une solution ionique et une électrode d’argent chlorée pour mesurer tensions et courants.
Le bout de la micropipette a une ouverture polie d’un micron qui encercle une petite zone de membrane.
Pour éliminer le bruit de fond dû aux ions à l’intérieur du bain de solution, un joint de haute résistance est formé entre la pipette et le morceau de membrane. Parce que la résistance de la jonction est dans la gamme du giga-ohm, il est appelé joint giga-ohm.
L’électrode à l’intérieur de la pipette est connectée à un amplificateur qui peut amplifier le courant et les fluctuations de tension qui sont le résultat du mouvement des ions à travers les canaux dans la membrane plasmique.
Avec l’amplificateur, les scientifiques peuvent fixer ou paramétrer artificiellement le potentiel de membrane à des tensions spécifiques.
L’amplificateur régule quelle quantité de courant doit être ajoutée à travers l’électrode en argent en vue de garder la tension constante.
Vu que les canaux ioniques voltage-dépendants (ou tensiodépendants) s’ouvrent à des tensions spécifiques, les évènements d’ouverture sont représentés par des variations dans les profils des courants mesurés.
Alternativement, les scientifiques peuvent envoyer un courant spécifique à travers l’électrode et enregistrer les changements résultants du potentiel.
Dans cette configuration en « current-clamp » (ou mesure de potentiel en courant imposé) des potentiels d’action peuvent être enregistrés.
Regardons maintenant les cinq types principaux de configurations de patch-clamp.
Tout d’abord la configuration « cellule attachée » où la micropipette est simplement scellée à la membrane d’une cellule intacte.
Deuxièmement, la configuration « cellule entière » où la membrane à l’intérieur de la micropipette est rompue pour fournir un accès à l’intérieur de la cellule.
Troisièmement, la configuration « perforée ». Ici, des produits chimiques comme des antibiotiques sont ajoutés à la micropipette afin de trouer la membrane par endroits fournissant un accès au cytosol.
La quatrième configuration est l’ « inside-out ». Pour réaliser ceci, la micropipette forme d’abord un joint avec la cellule, puis elle est retirée rapidement, arrachant un morceau de membrane et exposant la surface intérieure au bain de solution.
Ceci permet au côté cytoplasmique des canaux d’être exposé à des produits chimiques différents appliqués au bain.
Finalement, similaire à l’inside-out, l’outside-out commence comme une configuration cellule entière. La micropipette est lentement retirée jusqu’à ce qu’un morceau de membrane forme un joint convexe à travers l’embout.
Dans ce paramétrage, le côté extracellulaire des canaux peut être exposé à des traitements expérimentaux.
Maintenant que nous avons passé en revue les principes, regardons les étapes nécessaires à la réalisation d’un enregistrement patch-clamp.
Commencez en étirant un tube en verre de borosilicate en une micropipette, en utilisant un étireur de pipette.
Ensuite, polissez l’embout au feu pour obtenir le diamètre et la résistance appropriés.
Après le polissage, remplissez la micropipette avec une solution ionique et tapotez doucement pour déloger toute bulle d’air.
Ensuite glissez la micropipette autour de l’électrode attachée à un porteur.
Une fois attachée, utilisez une seringue pour appliquer une pression positive à la pipette, ce qui empêche d’autres solutions d’entrer par l’embout.
Maintenant, placez vos cellules ou tissus d’intérêt sur le plateau du microscope et déplacez la micropipette vers une cellule.
Avec l’amplificateur générant des impulsions de tension, enregistrez la résistance, qui va accroitre une fois que l’embout touche la cellule.
Pour former le joint giga-ohm, modifiez doucement la pression de positive vers négative en utilisant la seringue.
La formation du joint résultera en une augmentation rapide de la résistance à une valeur supérieure à 1 giga-ohm.
Maintenant qu’une configuration cellule-attachée a été établie, convertissons-la en une configuration cellule entière et réalisons une expérience !
Rappelons qu’une configuration cellule entière est lorsque la membrane est rompue.
La rupture est réalisée par l’application d’une pression négative à la micropipette.
Une fois que la membrane rompt, la forme de l’impulsion aura de larges courants transitoires, vu que la membrane agit maintenant comme une capacité, qui est chargée par l’impulsion de test.
Les propriétés d’un type de canal ionique seul dans n’importe quel neurone peuvent être investiguées par le blocage de l’activité des autres canaux pharmacologiquement.
Un protocole par étape de tension est utilisé pour examiner les courants des canaux ioniques provoqués par l’intensification de la tension à des séries de potentiels de maintien différents.
La courbe courant-tension montre la dépendance de la tension en fonction du courant passant à travers un canal ionique et fournit une vue sur les tensions auxquelles le canal est ouvert ou fermé.
Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à l’enregistrement de patch-clamp dans lequel nous avons passe en revue les principes desquels découle la technique et les étapes d’exécution d’une expérience.
Avec sa magnifique sensibilité temporelle aux changements de tension et de courant, l’enregistrement patch-clamp continuera à jouer un rôle important dans la compréhension de la biophysique des canaux et des neurones.
Merci de nous avoir regardés!
Patch clamp recording is an extremely useful technique for investigating the biophysical properties of the ion channels that control neuronal activation.
The procedure involves pressing a glass micropipette against a cell in order to isolate a small “patch” of membrane that contains one or more ion channels.
The experimental setup further allows scientists to “clamp” the electrical environment of the patched area by precisely controlling the voltage across the cell membrane, which, depending on the ion channels present, impacts the flow of ions through the membrane and allow for intricate study of these channels.
This video presents an overview of the principles behind the patch clamp technique, a description of the steps necessary to run an experiment, and finally some of the applications of this method.
First, let’s review the principles behind patch clamp recording.
The number of positive and negatively charged ions inside a neuron differs from number found on the outside.
This imbalance produces a voltage difference, or membrane potential, of about -70 mV, meaning that the inside is more negative than the outside.
Ion channels help maintain the gradient by controlling the movement of ions across the cell membrane, which are essentially electrical currents.
Using the patch clamp technique, scientists ask questions about the nature of the potential and current.
The patch clamp rig includes a glass micropipette, which contains both an ionic solution and a chlorinated silver electrode for measuring voltages and currents.
The tip of the micropipette has a polished, one micron opening that encloses a small area of membrane.
To eliminate background noise from ions within the bath solution, a high-resistance seal is formed between the pipette and membrane patch. Because the resistance of the seal is in the gigaohm range, it is known as a gigaohm seal.
The electrode within the pipette is connected to an amplifier that can amplifies current and voltage fluctuations that are the result of the movement of ions through channels in the plasma membrane.
With the amplifier, scientists can clamp or artificially set the membrane potential at specific voltages.
The amplifier regulates how much current must be added through the silver electrode in order to keep the voltage constant.
Since different voltage-gated ion channels open at specific voltages, opening events are represented by the variations in the profiles of the measured¬ currents.
Alternatively, scientists can force a specific current through the electrode and record the resulting changes in potential. In this “current clamp” configuration action potentials can be recorded.
Let’s now look at the five main types of patch clamp configurations.
First is the cell-attached configuration where the micropipette is simply sealed to the membrane of an intact cell.
Second is the whole-cell configuration where the membrane within the micropipette is ruptured to provide access to the cell’s interior.
Third is the perforated patch configuration. Here, chemicals such as antibiotics are added to the micropipette to make small holes in the membrane providing access to the cytosol.
The fourth configuration is the inside-out patch. To achieve this, the micropipette first forms a seal with the cell, then is pulled back quickly, ripping a piece of the membrane off and exposing the inside surface to the bath solution.
This allows for the cytoplasmic side of the channels to be exposed to different chemicals applied to the bath.
Lastly, similar to inside-out, the outside-out patch starts as a whole-cell configuration. The micropipette is slowly withdrawn until a piece of membrane forms a convex seal across the tip.
In this setup, the extracellular face of the channel can be exposed to experimental treatments.
Now that we have reviewed the principles, let’s go over the steps required perform a patch clamp recording.
Start by pulling a borosilicate glass tube into micropipettes using a pipette puller.
Next, fire polish the tip to obtain the appropriate diameter and resistance.
After polishing, fill the micropipette with an ionic solution and flick gently to dislodge any air bubbles.
Then slide the micropipette over the electrode attached to a holder.
Once attached, use a syringe to apply positive pressure to the pipette, which prevents other solutions from entering the tip.
Now, place your cells or tissue of interest on the microscope stage and move the micropipette towards a cell.
With the amplifier generating test voltage pulses, record the resistance, which will increase once the tip is touching the cell.
To form the gigaohm seal, gently switch from positive to negative pressure using the syringe. The formation of the seal will result in a rapid increase in resistance to greater than 1 gigaohm.
Now that a cell-attached configuration has been established, let’s convert to a whole-cell configuration and do an experiment!
Recall that a whole-cell configuration is when the membrane is ruptured.
Rupturing is accomplished by adding negative pressure to the micropipette.
Once the membrane breaks, the test pulse shape will have large current transients, as the cell membrane is now acting as a capacitor, which is charged by the test pulse.
The properties of a single ion channel type in any given neuron can be investigated by blocking the activity of other channels types pharmacologically.
A voltage-step protocol is used to examine ion channel currents evoked by stepping the voltage to a series of different holding potentials.
The current-voltage or IV curve shows the voltage-dependences of current flowing through an ion channel and provides insight into at which voltages the channel is open or closed.
Let’s now look at a few applications to explore what neuroscientists can do with this technique.
Sometimes, ion channels found in neurons can be studied in a non-cellular environment.
Here scientists have added ion channel proteins to an artificial lipid membrane in order to study those channels in isolation.
These channels can then be exposed to experimental molecules, like hot pepper-derived capsaicin, to study their impact on channel activity.
Because they are exposed to the extracellular environment and significantly impact cellular function, ion channels make excellent drug targets. When test compounds are added to the micropipette or bath solutions, patch clamp recordings can be used to directly test the effect of drugs, like nicotine, on neural activity. The principle of applying negative pressure to form a high resistance seal has even been applied to construct high throughput devices, which can record from numerous cells simultaneously for drug screening applications.
Whole-cell patch clamp is a valuable tool for measuring the response of single cells to stimuli.
Furthermore, paired recordings can be used to investigate the impact of neuron firing on excitable target cells, like muscle. In this example, whole-cell patch clamp is used to stimulate firing of a motor neuron, while recordings are simultaneously taken from the muscle fiber it controls. Clear relationships between neuronal excitation and muscle activity are observed.
You’ve just watched JoVE’s introduction to patch clamp recording where the principles behind the technique and steps in running an experiment were reviewed.
With its exquisite temporal sensitivity to changes in voltage and currents, patch clamp recording will continue to be instrumental in understanding the biophysics of channels and neurons.
Thanks for watching!
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