集成的膜片鉗工作站的優(yōu)點及應用優(yōu)勢

為什么要做膜片鉗？
繼熒光成像之外，膜片鉗電生理學已成為細胞生理學研究的主力技術(shù)。事實上，即使是細胞成像方法也經(jīng)常建立在膜片鉗實驗的基礎上。為了研究離子通道的功能、神經(jīng)調(diào)控、突觸可塑性和神經(jīng)元連接性，沒有技術(shù)能提供接近膜片鉗的時間分辨率和信噪比。

因此，在研究大多數(shù)細胞（植物細胞、肌細胞、神經(jīng)元、心肌細胞）的功能來龍去脈時，無論是在完整的組織中還是孤立的，那么膜片鉗很可能是需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)之一。

從不同的記錄配置（即全細胞、切除的貼片、細胞附著、松散密封）到將記錄與基因分析或成像相結(jié)合，技術(shù)的范圍正在穩(wěn)步增長。

膜片鉗走向何方？
膜片鉗裝置，用于同時記錄多達 10 個神經(jīng)元（A patch clamp rig for simultaneous recordings from up to ten neurons (Image kindly provided by the lab of Prof. Jörg Geiger, Charité Berlin)。

膜片鉗記錄已經(jīng)進入了“中年”，使用量持續(xù)增長了 40 多年。近三十年前，全細胞記錄與熒光成像的首次結(jié)合是膜片鉗的第一次“升級”。與此同時，從越來越小的結(jié)構(gòu)中進行記錄的非官方競賽正在進行中——首先是近端樹突、遠端樹突，然后是微小的基底樹突、軸突，最后是突觸連接......在培養(yǎng)物中，在切片中，在體內(nèi)。

如今，全細胞記錄通常與記錄后細胞的遺傳分析相結(jié)合，為轉(zhuǎn)錄組學帶來單細胞分辨率。同時，膜片鉗越來越多地用于旨在獲取大型數(shù)據(jù)集的研究——無論是用于篩選藥物或轉(zhuǎn)基因構(gòu)建體，還是解開神經(jīng)元或其他細胞網(wǎng)絡。

不言而喻，所有這些方法（電記錄、基因分析、成像和增加的通量）將在細胞生理學和藥理學中發(fā)揮越來越大的作用。

一組三張圖像，每張圖像都顯示了急性腦切片中相同的第 5 層神經(jīng)元，該切片被玻璃電極拉扯，連續(xù)從細胞中漂移。

漂移電極：用充滿染料的移液器修補的第 5 層神經(jīng)元。在第一個（左）面板中，移液器緊貼著細胞。在連續(xù)的圖像中，電極從細胞中漂移，拉伸膜并導致進入阻力增加（image kindly provided by Dr. Grit Bornschein, Carl Ludwig Institute, Leipzig University）。

如上所述，由于記錄設置的不同部分性能不佳以及無法很好地協(xié)同工作，這些問題的影響會因?qū)嶒灥娜找鎻碗s而加劇。最終，這一切都會減慢實驗的速度。

同時，通過同時從多個單元和位置進行記錄來實現(xiàn)更高的通量，也意味著更電極、接近細胞和形成密封等重復性任務會占用大量時間，并成為數(shù)據(jù)通量的瓶頸。

最后，在城市的大部分實驗室中尤其感受到一個問題：控制電子設備來驅(qū)動所有這些設備會占用空間。由于膜片鉗中使用的大多數(shù)設備都依賴于 19 英寸控制架，因此同時記錄 8 個或 10 個目標的系統(tǒng)通常需要比實際實驗設置更多的空間來容納控制電子設備。

集成的膜片鉗工作站是解決方案的關(guān)鍵
為了解決這些問題，集成膜片鉗工作站就派上用場了：多個顯微操作器、顯微鏡和樣品臺的組合，所有這些都由一個統(tǒng)一的控制系統(tǒng)連接起來，共同確保整個系統(tǒng)高效、平穩(wěn)地運行。

如果不同的設備基于當今的尖端技術(shù)，這將更上一層樓：使用閉環(huán)運動控制提供的穩(wěn)定性和高可重復性 - 無論是機械手還是顯微鏡，都消除了典型的痛點。即使在低通量實驗中，同時記錄一個或兩個細胞也大大減輕工作量。

一個完全集成的膜片鉗工作站，用于多達 8 個單元的并行記錄。

在這里，特別是壓電技術(shù)的使用使機械手可以數(shù)小時無漂移并且不會產(chǎn)生可檢測的電噪聲。機械手的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性只是一個方面 - 確保樣品臺的平穩(wěn)運動是關(guān)鍵。特別是，如果記錄的細胞具有廣闊的樹突或分布在大面積上。如果所有這些都可以通過比小型 PC 機占用更少空間的電子設備來控制，那就更好了。

在提高吞吐量時，這些高度可重復的定位設備可以輕松實現(xiàn)重復性任務的自動化。允許研究人員專注于實驗的重要部分。

提高通量的最后一步是自動化更復雜的實驗部分：最近的發(fā)展使得重復使用電極成為可能，而不是手動更換它們——將連接性研究的通量提高了 75% 以上。

最后，通過使用精細校準的壓力控制器實現(xiàn)的密封形成自動化，將膜片鉗記錄的可重復性提升到了一個新的水平。這些壓力控制器與自動運動序列配對，可以在記錄后自動從細胞中提取遺傳物質(zhì)并存入 PCR 樣品瓶中，這是不言而喻的。

如果硬件提供統(tǒng)一的控制接口，最好是可以從第三方或自行編寫的軟件輕松訪問的接口，那么這些先進技術(shù)的相互作用將實現(xiàn)復雜序列的自動化。這可以通過功能強大且易于使用的軟件開發(fā)工具包 （SDK） 來實現(xiàn)，該工具包帶有常用編程語言（如 Python）的包裝器。實現(xiàn)這種控制級別的開源軟件包，以及機器視覺和數(shù)據(jù)采集功能，已經(jīng)為那些想要進入下一代膜片鉗實驗的人提供服務。

那么，這將把我們帶到哪里呢？補充實驗仍將是一項需要技能和經(jīng)驗的技術(shù)。即使是最集成的系統(tǒng)也不會將電生理學研究變成一門“按一下按鈕就完成了”的學科。但它會消除許多令人頭疼的問題，讓您專注于重要的事情：做科學研究。

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