Potencjał membranowy i kanały

Potencjał membranowy to różnica w napięciu pomiędzy wnętrzem i zewnętrzem komórki. Potencjał membranowy pozwala komórce funkcjonować jak bateria, dostarczając energii do działania różnych urządzeń molekularnych wbudowanych w membranę. W komórkach pobudliwych elektrycznie, takich jak neurony, potencjał błonowy jest wykorzystywany do przekazywania sygnałów pomiędzy różnymi częściami komórki. Otwarcie lub zamknięcie kanałów jonowych w jednym punkcie błony powoduje lokalną zmianę potencjału błonowego, co powoduje szybki przepływ prądu elektrycznego do innych punktów w błonie. Kanały jonowe zostały zidentyfikowane jako ważne cele dla odkrycia leków.

Błona plazmatyczna komórki ma zwykle potencjał transmembranowy około 70 mV (ujemny wewnątrz), co jest konsekwencją gradientów stężeń K+, Na+ i Cl-, które są utrzymywane przez aktywne procesy transportowe. Sondy potencjometryczne oferują pośrednią, wygodną metodę wykrywania translokacji tych jonów, chociaż fluorescencyjne wskaźniki jonowe mogą być używane do bezpośredniego pomiaru zmian w stężeniach określonych jonów. Potencjometryczne sondy optyczne umożliwiają badaczom wykonywanie pomiarów potencjału membranowego w organellach i w komórkach, które są zbyt małe dla mikroelektrod. Ponadto, w połączeniu z technikami obrazowania, sondy te mogą być stosowane do mapowania zmian potencjału membranowego w pobudliwych komórkach, w perfundowanych organach i ostatecznie w mózgu in vivo z rozdzielczością przestrzenną i częstotliwością próbkowania, której nie można uzyskać przy użyciu mikroelektrod. Wzrosty i spadki potencjału membranowego odgrywają kluczową rolę w wielu procesach fizjologicznych, włączając w to propagację impulsów nerwowych, skurcz mięśni, sygnalizację komórkową i bramkowanie kanałów jonowych.

Sondy potencjometryczne są ważnymi narzędziami do badania tych procesów, jak również do wizualizacji mitochondriów (które wykazują potencjały transmembranowe o wartości około ?150 mV, ujemne wewnątrz matrycy), do oceny żywotności komórek i do wysokowydajnych badań przesiewowych nowych kandydatów na leki. Do sond potencjometrycznych należą kationowe lub zwitterionowe barwniki styrylowe, kationowe karbocyjaniny i rodaminy oraz anionowe oksonole. Klasa barwnika determinuje takie czynniki jak akumulacja w komórkach, mechanizm odpowiedzi i toksyczność. Wybór najlepszej sondy potencjometrycznej do konkretnego zastosowania może być skomplikowany ze względu na znaczne różnice w ich reakcjach optycznych, fototoksyczności i interakcji z innymi cząsteczkami. Istnieją dwie klasy sond potencjału membranowego oparte na ich mechanizmach odpowiedzi: szybko reagujące i wolno reagujące barwniki potencjału membranowego.

Szybko reagujące sondy potencjału membranowego

Sondy szybko reagujące wykazują fluorescencję w odpowiedzi na zmianę otaczającego je pola elektrycznego. Ich odpowiedź optyczna jest wystarczająco szybka, aby wykryć przejściowe (milisekundowe) zmiany potencjału w pobudliwych komórkach, w tym pojedynczych neuronach, komórkach serca i nienaruszonych mózgach. Jednakże, wielkość zależnej od potencjału zmiany fluorescencji jest często niewielka, typowo 0.02-0.1% zmiany intensywności fluorescencji na mV.

Sondy o powolnym potencjale membranowym

Sondy wolno reagujące wykazują zależne od potencjału zmiany w ich transmembranowej dystrybucji, którym towarzyszy zmiana fluorescencji. Wielkość ich odpowiedzi optycznej jest znacznie większa niż sond szybko reagujących, typowo zmiana fluorescencji wynosi 1% na mV. Sondy o powolnej odpowiedzi, do których należą kationowe karbocyjaniny i rodaminy oraz anionowe oksonole, nadają się do wykrywania zmian średnich potencjałów błonowych w komórkach nieekscytujących, spowodowanych aktywnością oddechową, przepuszczalnością kanałów jonowych, wiązaniem leków i innymi czynnikami.