קרום תאי נוירון מאוכלסים ערוצי יונים השולטים בתנועת המטען לתוך ומחוץ לתא, ובכך מווסתים ירי נוירונים. טכניקה שימושית מאוד אחת לחקירת התכונות הביופיסיות…
הקלטת מהדק תיקון היא טכניקה שימושית ביותר לחקירת התכונות הביופיסיות של ערוצי היון השולטים בהפעלה העצבית.
ההליך כרוך בלחיצת מיקרופיפט זכוכית על תא על מנת לבודד "תיקון" קטן של ממברנה המכילה תעלות יונים אחת או יותר.
ההתקנה הניסיונית מאפשרת עוד יותר למדענים "להדק" את הסביבה החשמלית של האזור המוטל על ידי שליטה מדויקת במתח על פני קרום התא, אשר, בהתאם לערוצי היונים הקיימים, משפיע על זרימת היונים דרך הממברנה ומאפשר מחקר מורכב של ערוצים אלה.
וידאו זה מציג סקירה של העקרונות שמאחורי טכניקת מהדק התיקון, תיאור של השלבים הדרושים להפעלת ניסוי, ולבסוף חלק מהיישומים של שיטה זו.
ראשית, בואו נסקור את העקרונות מאחורי הקלטת מהדק תיקון.
מספר היונים החיוביים והטעונים שלילית בתוך נוירון שונה מהמספר שנמצא בחוץ.
חוסר איזון זה מייצר הפרש מתח, או פוטנציאל ממברנה, של כ -70 mV, כלומר החלק הפנימי הוא שלילי יותר מאשר בחוץ.
ערוצי יון מסייעים לשמור על השיפוע על ידי שליטה על תנועת היונים על פני קרום התא, שהם למעשה זרמים חשמליים.
באמצעות טכניקת מהדק התיקון, מדענים שואלים שאלות על אופי הפוטנציאל והזרם.
אסדת המהדקים כוללת מיקרופיט זכוכית, המכיל גם תמיסה יונית וגם אלקטרודה כסופה כלור למדידת מתחים וזרמים.
קצה המיקרופיט כולל פתח מיקרון מלוטש אחד המקיף שטח קטן של ממברנה.
כדי למנוע רעשי רקע מיונים בתוך פתרון האמבטיה, נוצר חותם עמידות גבוהה בין הפיפטה לתיקון הממברנה. מכיוון שההתנגדות של החותם נמצאת בטווח הג'יגאוהם, היא ידועה כחותם ג'יגאוהם.
האלקטרודה בתוך הפיפטה מחוברת למגבר שיכול להגביר את תנודות הזרם והמתח שהן תוצאה של תנועת יונים דרך ערוצים בקרום הפלזמה.
עם המגבר, מדענים יכולים להדק או להגדיר באופן מלאכותי את פוטנציאל הממברנה במתחים ספציפיים.
המגבר מווסת כמה זרם יש להוסיף דרך אלקטרודה כסף על מנת לשמור על קבוע המתח.
מכיוון שערוצי יונים שונים מגודרים במתחים ספציפיים, אירועי הפתיחה מיוצגים על ידי הווריאציות בפרופילים של הזרמים הנמדדים.
לחלופין, מדענים יכולים לכפות זרם מסוים דרך האלקטרודה ולתעד את השינויים הנובעים מהפוטנציאל. בפוטנציאל פעולה זה של פעולת תצורה "מהדק נוכחי" ניתן לרשום פוטנציאלי פעולה.
בואו נסתכל עכשיו על חמשת הסוגים העיקריים של תצורות מהדק תיקון.
הראשון הוא התצורה המחוברת לתא שבו micropipette הוא פשוט אטום לממברנה של תא שלם.
השני הוא תצורת התא כולו שבו הממברנה בתוך micropipette נקרע כדי לספק גישה לפנים של התא.
השלישית היא תצורת התיקון המחוררת. כאן, כימיקלים כגון אנטיביוטיקה מתווספים micropipette לעשות חורים קטנים בממברנה מתן גישה ציטוסול.
התצורה הרביעית היא התיקון מבפנים החוצה. כדי להשיג זאת, micropipette תחילה יוצר חותם עם התא, לאחר מכן הוא משך בחזרה במהירות, קורע חתיכה של הממברנה את וחושף את פני השטח הפנימיים לתמיסת האמבטיה.
זה מאפשר לצד הציטופלסמי של הערוצים להיחשף לכימיקלים שונים החלים על האמבטיה.
לבסוף, בדומה ל- Inside-out, התיקון החיצוני מתחיל כתצורה של תא שלם. המיקרופיפט נסוג לאט עד שחתיכת ממברנה יוצרת חותם קמוס על הקצה.
במערך זה, הפנים החוץ תאיות של הערוץ יכולות להיחשף לטיפולים ניסיוניים.
עכשיו שבדקנו את העקרונות, בואו נעבור על השלבים הנדרשים לבצע הקלטת מהדק תיקון.
התחל על ידי משיכת צינור זכוכית בורוסיליקט לתוך micropipettes באמצעות פולר פיפטה.
לאחר מכן, אש ללטש את הקצה כדי לקבל את הקוטר המתאים והתנגדות.
לאחר ליטוש, למלא את micropipette עם פתרון יוני להעיף בעדינות כדי לפרוק את כל בועות אוויר.
ואז להחליק את micropipette מעל האלקטרודה מחובר למחזיק.
לאחר חיבור, השתמש במזרק כדי להפעיל לחץ חיובי על הפיפטה, אשר מונע פתרונות אחרים מלהיכנס לקצה.
עכשיו, למקם את התאים או רקמת העניין שלך על שלב המיקרוסקופ ולהזיז את micropipette לכיוון תא.
עם המגבר יצירת פולסים מתח בדיקה, להקליט את ההתנגדות, אשר יגדל ברגע שהקצה נוגע בתא.
כדי ליצור את חותם הג'יגאוהם, עברו בעדינות מלחץ חיובי ללחץ שלילי באמצעות המזרק. היווצרות החותם תגרום לעלייה מהירה בהתנגדות ליותר מ-1 ג'יגה אום.
עכשיו, לאחר שנקבעה תצורה של תאים, בואו נמיר לתצורת תא שלם ונעשה ניסוי!
זכור כי תצורה של תא שלם היא כאשר הממברנה נקרעת.
הקרע מתבצע על ידי הוספת לחץ שלילי למיקרופיט.
ברגע שהממברנה נשברת, צורת פעימת הבדיקה תהיה ארעית זרם גדול, כמו קרום התא פועל כעת קבל, אשר טעון על ידי פעימת הבדיקה.
המאפיינים של סוג ערוץ יונים יחיד בכל נוירון נתון ניתן לחקור על ידי חסימת הפעילות של סוגים אחרים ערוצים פרמקולוגית.
פרוטוקול שלב מתח משמש לבחינת זרמי ערוץ היונים המעוררים על ידי דריכה של המתח לסדרה של פוטנציאל החזקה שונה.
עקומת המתח הנוכחי או העירוי מציגה את התלות במתח של הזרם הזורם דרך ערוץ יונים ומספקת תובנה לגבי המתחים שבהם הערוץ פתוח או סגור.
בואו עכשיו להסתכל על כמה יישומים כדי לחקור מה מדעני מוח יכולים לעשות עם טכניקה זו.
לפעמים, ערוצי יונים שנמצאו בנוירונים ניתן ללמוד בסביבה לא תאית.
כאן מדענים הוסיפו חלבונים ערוץ יונים לקרום שומנים מלאכותי על מנת ללמוד ערוצים אלה בבידוד.
לאחר מכן ערוצים אלה יכולים להיחשף למולקולות ניסיוניות, כמו קפסאיצין שמקורו בפלפל חריף, כדי לחקור את השפעתם על פעילות הערוץ.
מכיוון שהם חשופים לסביבה חוץ-תאית ומשפיעים באופן משמעותי על תפקוד התאים, ערוצי היונים מהווים מטרות סמים מצוינות. כאשר תרכובות בדיקה מתווספות לפתרונות micropipette או אמבטיה, הקלטות מהדק תיקון ניתן להשתמש כדי לבדוק ישירות את ההשפעה של תרופות, כמו ניקוטין, על פעילות עצבית. העיקרון של הפעלת לחץ שלילי כדי ליצור חותם התנגדות גבוהה אפילו הוחל לבנות התקני תפוקה גבוהה, אשר יכול להקליט מתאים רבים בו זמנית עבור יישומי הקרנת סמים.
מהדק תיקון תא שלם הוא כלי בעל ערך למדידת התגובה של תאים בודדים לגירויים.
יתר על כן, הקלטות מזווגות ניתן להשתמש כדי לחקור את ההשפעה של נוירון ירי על תאי יעד נרגשים, כמו שריר. בדוגמה זו, מהדק תיקון תא שלם משמש כדי לעורר ירי של נוירון מוטורי, בעוד הקלטות נלקחות בו זמנית מסיבי השריר הוא שולט. יחסים ברורים בין עירור עצבי ופעילות שרירים נצפים.
הרגע צפיתם בהקדמה של JoVE להקלטת מהדק תיקון שבה נבדקו העקרונות שמאחורי הטכניקה והצעדים בהפעלת ניסוי.
עם הרגישות הזמנית המעודנת שלה לשינויים במתח ובזרמים, הקלטת מהדק תיקון תמשיך להיות אינסטרומנטלית בהבנת הביופיסיקה של ערוצים ונוירונים.
תודה שצפיתם!
הקלטת מהדק תיקון היא טכניקה שימושית ביותר לחקירת התכונות הביופיסיות של ערוצי היון השולטים בהפעלה העצבית.
ההליך כרוך בלחיצת מיקרופיפט זכוכית על תא על מנת לבודד "תיקון" קטן של ממברנה המכילה תעלות יונים אחת או יותר.
ההתקנה הניסיונית מאפשרת עוד יותר למדענים "להדק" את הסביבה החשמלית של האזור המוטל על ידי שליטה מדויקת במתח על פני קרום התא, אשר, בהתאם לערוצי היונים הקיימים, משפיע על זרימת היונים דרך הממברנה ומאפשר מחקר מורכב של ערוצים אלה.
וידאו זה מציג סקירה של העקרונות שמאחורי טכניקת מהדק התיקון, תיאור של השלבים הדרושים להפעלת ניסוי, ולבסוף חלק מהיישומים של שיטה זו.
ראשית, בואו נסקור את העקרונות מאחורי הקלטת מהדק תיקון.
מספר היונים החיוביים והטעונים שלילית בתוך נוירון שונה מהמספר שנמצא בחוץ.
חוסר איזון זה מייצר הפרש מתח, או פוטנציאל ממברנה, של כ -70 mV, כלומר החלק הפנימי הוא שלילי יותר מאשר בחוץ.
ערוצי יון מסייעים לשמור על השיפוע על ידי שליטה על תנועת היונים על פני קרום התא, שהם למעשה זרמים חשמליים.
באמצעות טכניקת מהדק התיקון, מדענים שואלים שאלות על אופי הפוטנציאל והזרם.
אסדת המהדקים כוללת מיקרופיט זכוכית, המכיל גם תמיסה יונית וגם אלקטרודה כסופה כלור למדידת מתחים וזרמים.
קצה המיקרופיט כולל פתח מיקרון מלוטש אחד המקיף שטח קטן של ממברנה.
כדי למנוע רעשי רקע מיונים בתוך פתרון האמבטיה, נוצר חותם עמידות גבוהה בין הפיפטה לתיקון הממברנה. מכיוון שההתנגדות של החותם נמצאת בטווח הג'יגאוהם, היא ידועה כחותם ג'יגאוהם.
האלקטרודה בתוך הפיפטה מחוברת למגבר שיכול להגביר את תנודות הזרם והמתח שהן תוצאה של תנועת יונים דרך ערוצים בקרום הפלזמה.
עם המגבר, מדענים יכולים להדק או להגדיר באופן מלאכותי את פוטנציאל הממברנה במתחים ספציפיים.
המגבר מווסת כמה זרם יש להוסיף דרך אלקטרודה כסף על מנת לשמור על קבוע המתח.
מכיוון שערוצי יונים שונים מגודרים במתחים ספציפיים, אירועי הפתיחה מיוצגים על ידי הווריאציות בפרופילים של הזרמים הנמדדים.
לחלופין, מדענים יכולים לכפות זרם מסוים דרך האלקטרודה ולתעד את השינויים הנובעים מהפוטנציאל. בפוטנציאל פעולה זה של פעולת תצורה "מהדק נוכחי" ניתן לרשום פוטנציאלי פעולה.
בואו נסתכל עכשיו על חמשת הסוגים העיקריים של תצורות מהדק תיקון.
הראשון הוא התצורה המחוברת לתא שבו micropipette הוא פשוט אטום לממברנה של תא שלם.
השני הוא תצורת התא כולו שבו הממברנה בתוך micropipette נקרע כדי לספק גישה לפנים של התא.
השלישית היא תצורת התיקון המחוררת. כאן, כימיקלים כגון אנטיביוטיקה מתווספים micropipette לעשות חורים קטנים בממברנה מתן גישה ציטוסול.
התצורה הרביעית היא התיקון מבפנים החוצה. כדי להשיג זאת, micropipette תחילה יוצר חותם עם התא, לאחר מכן הוא משך בחזרה במהירות, קורע חתיכה של הממברנה את וחושף את פני השטח הפנימיים לתמיסת האמבטיה.
זה מאפשר לצד הציטופלסמי של הערוצים להיחשף לכימיקלים שונים החלים על האמבטיה.
לבסוף, בדומה ל- Inside-out, התיקון החיצוני מתחיל כתצורה של תא שלם. המיקרופיפט נסוג לאט עד שחתיכת ממברנה יוצרת חותם קמוס על הקצה.
במערך זה, הפנים החוץ תאיות של הערוץ יכולות להיחשף לטיפולים ניסיוניים.
עכשיו שבדקנו את העקרונות, בואו נעבור על השלבים הנדרשים לבצע הקלטת מהדק תיקון.
התחל על ידי משיכת צינור זכוכית בורוסיליקט לתוך micropipettes באמצעות פולר פיפטה.
לאחר מכן, אש ללטש את הקצה כדי לקבל את הקוטר המתאים והתנגדות.
לאחר ליטוש, למלא את micropipette עם פתרון יוני להעיף בעדינות כדי לפרוק את כל בועות אוויר.
ואז להחליק את micropipette מעל האלקטרודה מחובר למחזיק.
לאחר חיבור, השתמש במזרק כדי להפעיל לחץ חיובי על הפיפטה, אשר מונע פתרונות אחרים מלהיכנס לקצה.
עכשיו, למקם את התאים או רקמת העניין שלך על שלב המיקרוסקופ ולהזיז את micropipette לכיוון תא.
עם המגבר יצירת פולסים מתח בדיקה, להקליט את ההתנגדות, אשר יגדל ברגע שהקצה נוגע בתא.
כדי ליצור את חותם הג'יגאוהם, עברו בעדינות מלחץ חיובי ללחץ שלילי באמצעות המזרק. היווצרות החותם תגרום לעלייה מהירה בהתנגדות ליותר מ-1 ג'יגה אום.
עכשיו, לאחר שנקבעה תצורה של תאים, בואו נמיר לתצורת תא שלם ונעשה ניסוי!
זכור כי תצורה של תא שלם היא כאשר הממברנה נקרעת.
הקרע מתבצע על ידי הוספת לחץ שלילי למיקרופיט.
ברגע שהממברנה נשברת, צורת פעימת הבדיקה תהיה ארעית זרם גדול, כמו קרום התא פועל כעת קבל, אשר טעון על ידי פעימת הבדיקה.
המאפיינים של סוג ערוץ יונים יחיד בכל נוירון נתון ניתן לחקור על ידי חסימת הפעילות של סוגים אחרים ערוצים פרמקולוגית.
פרוטוקול שלב מתח משמש לבחינת זרמי ערוץ היונים המעוררים על ידי דריכה של המתח לסדרה של פוטנציאל החזקה שונה.
עקומת המתח הנוכחי או העירוי מציגה את התלות במתח של הזרם הזורם דרך ערוץ יונים ומספקת תובנה לגבי המתחים שבהם הערוץ פתוח או סגור.
בואו עכשיו להסתכל על כמה יישומים כדי לחקור מה מדעני מוח יכולים לעשות עם טכניקה זו.
לפעמים, ערוצי יונים שנמצאו בנוירונים ניתן ללמוד בסביבה לא תאית.
כאן מדענים הוסיפו חלבונים ערוץ יונים לקרום שומנים מלאכותי על מנת ללמוד ערוצים אלה בבידוד.
לאחר מכן ערוצים אלה יכולים להיחשף למולקולות ניסיוניות, כמו קפסאיצין שמקורו בפלפל חריף, כדי לחקור את השפעתם על פעילות הערוץ.
מכיוון שהם חשופים לסביבה חוץ-תאית ומשפיעים באופן משמעותי על תפקוד התאים, ערוצי היונים מהווים מטרות סמים מצוינות. כאשר תרכובות בדיקה מתווספות לפתרונות micropipette או אמבטיה, הקלטות מהדק תיקון ניתן להשתמש כדי לבדוק ישירות את ההשפעה של תרופות, כמו ניקוטין, על פעילות עצבית. העיקרון של הפעלת לחץ שלילי כדי ליצור חותם התנגדות גבוהה אפילו הוחל לבנות התקני תפוקה גבוהה, אשר יכול להקליט מתאים רבים בו זמנית עבור יישומי הקרנת סמים.
מהדק תיקון תא שלם הוא כלי בעל ערך למדידת התגובה של תאים בודדים לגירויים.
יתר על כן, הקלטות מזווגות ניתן להשתמש כדי לחקור את ההשפעה של נוירון ירי על תאי יעד נרגשים, כמו שריר. בדוגמה זו, מהדק תיקון תא שלם משמש כדי לעורר ירי של נוירון מוטורי, בעוד הקלטות נלקחות בו זמנית מסיבי השריר הוא שולט. יחסים ברורים בין עירור עצבי ופעילות שרירים נצפים.
הרגע צפיתם בהקדמה של JoVE להקלטת מהדק תיקון שבה נבדקו העקרונות שמאחורי הטכניקה והצעדים בהפעלת ניסוי.
עם הרגישות הזמנית המעודנת שלה לשינויים במתח ובזרמים, הקלטת מהדק תיקון תמשיך להיות אינסטרומנטלית בהבנת הביופיסיקה של ערוצים ונוירונים.
תודה שצפיתם!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the basic principle behind patch clamp recording?
Patch clamp recording isolates a small membrane patch containing ion channels by pressing a glass micropipette against a cell and forming a high-resistance seal. Scientists then use an electrode to clamp or control the electrical environment of the patched area, allowing precise measurement of how voltage changes affect ion flow through channels. This technique reveals the biophysical properties of ion channels that regulate neuronal activation.
Q2: How does a gigaohm seal form in patch clamp experiments?
A gigaohm seal forms when negative pressure is applied through a syringe to the micropipette, creating a high-resistance seal between the pipette tip and the cell membrane. The resistance increases rapidly to greater than 1 gigaohm, effectively isolating the membrane patch from background noise in the bath solution. This seal is critical for detecting small electrical currents from individual ion channels.
Q3: What are the main differences between whole-cell and cell-attached patch configurations?
In cell-attached configuration, the micropipette simply seals to an intact cell membrane, allowing study of channels in their native state. Whole-cell configuration ruptures the membrane within the micropipette to access the cell's interior, enabling measurement of total cellular currents. Whole-cell recording provides broader access to intracellular mechanisms and is commonly used for voltage-step protocols and current-voltage curve generation.
Q4: How does inside-out patch configuration expose the cytoplasmic side of ion channels?
Inside-out patch begins with a cell-attached seal, then the micropipette is pulled back quickly, ripping a piece of membrane away from the cell. This exposes the cytoplasmic surface of the channels to the bath solution, allowing researchers to apply experimental chemicals directly to the intracellular face of ion channels. This configuration is valuable for studying how cytoplasmic factors regulate channel activity.
Q5: What does a current-voltage curve reveal about ion channel function?
A current-voltage (IV) curve shows the voltage-dependence of current flowing through an ion channel, revealing at which voltages the channel opens or closes. Generated using a voltage-step protocol that steps the membrane potential through a series of different holding potentials, the IV curve provides insight into channel kinetics and selectivity. This data is essential for understanding how voltage-gated ion channels control neuronal excitability.
Q6: How is patch clamp recording used for drug screening and testing?
Test compounds can be added to the micropipette or bath solutions during patch clamp recording to directly measure drug effects on neural activity. For example, nicotine or other neuroactive compounds are applied while recording channel currents, revealing how drugs alter ion channel function. High-throughput devices based on the gigaohm seal principle now enable simultaneous recording from numerous cells for rapid drug screening applications.
Q7: What can paired whole-cell patch clamp recordings demonstrate about neuron-muscle interactions?
Paired recordings simultaneously stimulate firing of a motor neuron while recording responses from the muscle fiber it controls, revealing direct relationships between neuronal excitation and muscle activity. This approach, using primary neuronal cultures and electrophysiology techniques, demonstrates how action potentials in neurons translate into functional responses in target cells. Such experiments are crucial for understanding synaptic transmission and neuromuscular function.