仪器科普丨集成的膜片钳工作站达到事半功倍的效果

继荧光成像之外，膜片钳电生理学已成为细胞生理学研究的主力技术。事实上，即使是细胞成像方法也经常建立在膜片钳实验的基础上。为了研究离子通道的功能、神经调控、突触可塑性和神经元连接性，没有技术能提供接近膜片钳的时间分辨率和信噪比。

因此，在研究大多数细胞（植物细胞、肌细胞、神经元、心肌细胞）的功能来龙去脉时，无论是在完整的组织中还是孤立的，那么膜片钳很可能是需要考虑的关键技术之一。

从不同的记录配置（即全细胞、切除的贴片、细胞附着、松散密封）到将记录与基因分析或成像相结合，技术的范围正在稳步增长。

膜片钳装置，用于同时记录多达 10 个神经元（A patch clamp rig for simultaneous recordings from up to ten neurons (Image kindly provided by the lab of Prof. Jörg Geiger, Charité Berlin)。

膜片钳记录已经进入了“中年”，使用量持续增长了 40 多年。近三十年前，全细胞记录与荧光成像的**结合是膜片钳的**次“升级”。与此同时，从越来越小的结构中进行记录的非官方竞赛正在进行中——首先是近端树突、远端树突，然后是微小的基底树突、轴突，*后是突触连接......在培养物中，在切片中，在体内。

如今，全细胞记录通常与记录后细胞的遗传分析相结合，为转录组学带来单细胞分辨率。同时，膜片钳越来越多地用于旨在获取大型数据集的研究——无论是用于筛选**或转基因构建体，还是解开神经元或其他细胞网络。

不言而喻，所有这些方法（电记录、基因分析、成像和增加的通量）将在细胞生理学和药理学中发挥越来越大的作用。

膜片钳记录并不总是那么容易。即使实验和数据收集是从单个视觉识别的细胞中记录的问题，也有很多事情可能会出错。电噪声、漂移和不稳定的机械手、尝试修补细胞时的生涩运动、运动过程中的振动......所有这些都会减慢数据采集速度并影响数据的质量。

一组三张图像，每张图像都显示了急性脑切片中相同的第 5 层神经元，该切片被玻璃电极拉扯，连续从细胞中漂移。

漂移电极：用充满染料的移液器修补的第 5 层神经元。在**个（左）面板中，移液器紧贴着细胞。在连续的图像中，电极从细胞中漂移，拉伸膜并导致进入阻力增加（image kindly provided by Dr. Grit Bornschein, Carl Ludwig Institute, Leipzig University）。

如上所述，由于记录设置的不同部分性能不佳以及无法很好地协同工作，这些问题的影响会因实验的日益复杂而加剧。*终，这一切都会减慢实验的速度。

同时，通过同时从多个单元和位置进行记录来实现更高的通量，也意味着更电极、接近细胞和形成密封等重复性任务会占用大量时间，并成为数据通量的瓶颈。

*后，在城市的大部分实验室中尤其感受到一个问题：控制电子设备来驱动所有这些设备会占用空间。由于膜片钳中使用的大多数设备都依赖于 19 英寸控制架，因此同时记录 8 个或 10 个目标的系统通常需要比实际实验设置更多的空间来容纳控制电子设备。

为了解决这些问题，集成膜片钳工作站就派上用场了：多个显微操作器、显微镜和样品台的组合，所有这些都由一个统一的控制系统连接起来，共同确保整个系统高效、平稳地运行。

如果不同的设备基于当今的**技术，这将更上一层楼：使用闭环运动控制提供的稳定性和高可重复性 - 无论是机械手还是显微镜，都消除了典型的痛点。即使在低通量实验中，同时记录一个或两个细胞也大大减轻工作量。

一个完全集成的膜片钳工作站，用于多达 8 个单元的并行记录。

在这里，特别是压电技术的使用使机械手可以数小时无漂移并且不会产生可检测的电噪声。机械手的稳定性和平稳性只是一个方面 - 确保样品台的平稳运动是关键。特别是，如果记录的细胞具有广阔的树突或分布在大面积上。如果所有这些都可以通过比小型 PC 机占用更少空间的电子设备来控制，那就更好了。

在提高吞吐量时，这些高度可重复的定位设备可以轻松实现重复性任务的自动化。允许研究人员专注于实验的重要部分。

提高通量的*后一步是自动化更复杂的实验部分：*近的发展使得重复使用电极成为可能，而不是手动更换它们——将连接性研究的通量提高了 75% 以上。

*后，通过使用精细校准的压力控制器实现的密封形成自动化，将膜片钳记录的可重复性提升到了一个新的水平。这些压力控制器与自动运动序列配对，可以在记录后自动从细胞中提取遗传物质并存入 PCR 样品瓶中，这是不言而喻的。

如果硬件提供统一的控制接口，*好是可以从第三方或自行编写的软件轻松访问的接口，那么这些先进技术的相互作用将实现复杂序列的自动化。这可以通过功能强大且易于使用的软件开发工具包 （SDK） 来实现，该工具包带有常用编程语言（如 Python）的包装器。实现这种控制级别的开源软件包，以及机器视觉和数据采集功能，已经为那些想要进入下一代膜片钳实验的人提供服务。

那么，这将把我们带到哪里呢？补充实验仍将是一项需要技能和经验的技术。即使是*集成的系统也不会将电生理学研究变成一门“按一下按钮就完成了”的学科。但它会消除许多令人头疼的问题，让您专注于重要的事情：做科学研究。

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