אלקטרופיזיולוגיה
אלקטרופיזיולוגיה (באנגלית: Electrophysiology) היא תחום מחקר בביולוגיה המאופיין במדידת זרמים חשמליים או שינויים במתח חשמלי בתכשירים ביולוגיים או בבני אדם באמצעות אלקטרודות. ביונקים, שתי רקמות מייצרות זרמים חשמליים ושינויי מתח כחלק מתפקודן: מערכת העצבים והשרירים. לפיכך, עיקרו של התחום החל להתפתח במאה העשרים מתוך התחום של מדעי העצב (נוירוביולוגיה) ופיזיולוגיה של הלב.
הפעילות החשמלית ברקמות
נושא המטען החשמלי בגוף החי הוא היון, כלומר אטום שיש לו חוסר או עודף של אלקטרון אחד או יותר בקליפה החיצונית. מאחר שהסביבה התאית היא מימית, מלחים של תרכובות שונות מתמוססים במים, וכתוצאה מכך נוצרים יונים חיוביים ושליליים המוקפים במולקולות מים (יונים ממוימים), ומסוגלים לנוע בתמיסה באופן חופשי[1]. היונים העיקריים שתנועתם דרך קרומי התא מייצרת את הפעילות החשמלית הם אשלגן, נתרן, כלור וסידן. קרומי התאים בנויים מולקולות שומניות שאינן חדירות ליונים, ותנועה זו מתקיימת רק דרך מבנים חלבוניים, תעלות יונים, באופן מבוקר. תנועת היונים דרך קרומי התא והבדלי הריכוז שלהם בין האזורים החוץ תאיים והתוך תאיים יוצרים הבדלי פוטנציאליים חשמליים בין פנים וחוץ התא (ערך אופייני בתא שריר הוא כ־90 - מיליוולט). בהתאפשר זרימה של יונים דרך קרום התא (ממברנת התא) ייווצר זרם חשמלי הניתן למדידה. זרמים אלו והשינויים שהם גורמים להפרש המתחים בין פנים וחוץ התא ניתנים למדידה בעזרת סדרה של טכניקות אלקטרופיזיולוגיות.
החדירות (ובהתאם המוליכות החשמלית) של ה"תעלות" למעבר יונים, שונה מיון ליון ויכולה להיות מותנה במתח התא או בחומר (הורמון, מוליך עצבי) המתחבר אליהן.
ניתן להציג מודל חשמלי (הנקרא מודל הודג'קין-הקסלי) לקרום התא כמעגל חשמלי שיש לו קבל ונגד מקבילים. הקבל מייצג את חלוקת המטענים משני צדי הקרום ואילו הנגד מייצג את המוליכות החשמלית של "תעלות היונים". סדרת משוואות דיפרנציאליות שפותחה על ידי הודג'קין והקסלי בשנות הארבעים של המאה העשרים מהווה מודל מתמטי של זרמי הנתרן והאשלגן בתא העצב, המתבסס על התכונות החשמליות של קרום העצב והיא משמשת כמודל בסיסי להבנת דרך פעולתו של תא רגנרטיבי, כלומר תא הפועל כאשר הבדל הפוטנציאלים בין החוץ והפנים עובר סף מסוים. על כך זכו בפרס נובל בשנת 1963.
מדידת המתחים והזרמים על ידי אלקטרודות נעשית בעזרת כלים אלקטרונים כדוגמת משקף תנודות (אוסצילוסקופ) לאחר הגברה בסדרת מגברים רגישים. בגלל רמת האות הקטנה דרושה זהירות רבה להפקת אותות נקיים ללא "רעש אלקטרוני" דבר המחייב עבודה בתוך כלוב פאראדיי והארקות שונות.
ניתן להפריד את שיטות העבודה באופן גס לשתיים: רישומים מתבחינים ביולוגים המתקיימים במעבדה בתבחינים מבודדים in vitro ובשיטות מדידה מאיבר שלם ומתפקד in vivo.
טכניקות
רישום חוץ תאי
רישום המתבצע על ידי שתי אלקטרודות מתכת המצופות בכסף כלורי והמונחות במרחק זמ"ז מחוץ לתא עצב או שריר בסמוך לממברנה. עם התקדמות פוטנציאל הפעולה הוא נרשם בזמנים שונים על ידי שתי האלקטרודות ברמות מתח חשמלי שונות. זוהי טכניקת רישום פשוטה המאפשרת רישום פעילות חשמלית של תא בודד על ידי זיהוי פוטנציאל הפעולה שלו, או של אוכלוסייה גדולה של תאים באמצעות רישום השדה החשמלי הנוצר על ידי פעילותם.
רישום תוך תאי
רישום מתח ושינויי זרם הנעשה על ידי אלקטרודת זכוכית המלאה בתמיסת יונים החודרת את קרום התא ומודדת הפעילות החשמלית עפנ"י קרום התא. האלקטרודות הן "אלקטרודות חדות", בעלות קוטר בסדר גודל של מיקרון, והן "פוצעות" את קרום התא וחודרות אותו.
קיבוע מתח[2]
קיבוע מתח (Voltage Clamp) היא טכניקה המשמשת לשליטה במתח החשמלי על פני קרום של אזור קטן או איזופוטנציאלי בתא עצב, באמצעות מעגל משוב אלקטרוני. בדרך כלל, המתח נקבע ברמות שונות בהתאם לרצון הנסיין. כשמתח הקרום קבוע, מודדים את הזרם שמסופק על ידי המעגל החשמלי כדי לשמור על המתח בכל רמה. זרם זה שקול לזרם היונים הזורם דרך הקרום בתגובה לשינוי במתח. ניתן להשתמש בטכניקה זו לגלות פעילות של תעלות יונים הרגישות למתח מסוים (כלומר מופעלות בתחום מתחים מסוים וחדלות בתחום אחר או לאחר זמן מסוים)
קיבוע זרם
בקיבוע הזרם (Current Clamp) קובעים את משרעת הזרם המוזרק דרך מיקרו-אלקטרודה ומודדים את השינוי במתח. הזרקתה זרם דה-פולריזטורי דרך קרום הנוירון יכולה לגרום להתפתחות פוטנציאל פעולה (אם המתח עובר את סף העירור). שינויים במתח הקרום גורמים לשינויים במוליכות הקרום, עקב פתיחת תעלות יונים תלויות מתח, אשר מובילים לשינויים בזרמי הנתרן והאשלגן דרך תעלות אלו.
קיבוע פיסה[3]
שיטה בה אלקטרודת זכוכית המלאה בתמיסה "מוצמדת" לקרום התא במקום לחדור את קרום התא. בשיטה זאת אפשר לרשום פעילות חשמלית של מספר מצומצם ביותר של "תעלות יונים. הטכניקה הזו מכונה רישום פיסה ובאנגלית "Patch Clamp" (אנ'). בשיטה זו נוצר מגע הדוק בין האלקטרודה אל הממברנה והתנגדות גדולה כך שכאשר פיסת ממברנה מבודדץ אחוזה באלקטרודה אפשר לרשום זרמים של תעלות יחידות. על פיתוח שיטת קיבוע הפיסה קבלו ברט סקמן (Bert Sakmann) וארווין נהר (Erwin Neher) פרס נובל לרפואה ופיזיולוגיה בשנת 1991 [4] בתצורות שונות של קיבוע פיסה ניתן לבחון מאפיינים רבים של פעילות התעלה ואת רגישותה לחומרים שונים.
קיימות ארבע קונפיגורציות של רישום הפיסה:
1: התא המחובר (cell attached): פיסת ממברנה נשאבת אלתוך האלקטרודה ואפשר לרשום תעלות יחידות.
2: התא השלם (whole cell ): קריעת פיסת הממברנה האחוזה באלקטרוד וכך אפשר לרשום את הזרם מהתא השלם כמו ברישום תוך תאי.
3: פיסה פנים-חוץ (inside-out patch) קריעת פיסת הממברנה האחוזה באלקטרודה כך שהשפה הפנימית של הקום פונה אל התמיסה החיצונית. כך אפשר לרשום תעלות יחידות כשאפשר לשנות את הרכב התמיסה החיצונית.
4: פיסה חוץ-חוץ (outside-out patch) ניתוק פיסת ממברנה כך שהשפה החיצונית שלה חשופה א ל התמיסה החיצונית. גם כך אפשר לרשום תעלות יחידות.
אלקטרו-אנצפלו-גרם (EEG)
רישום של פעילות מאלפי תאים בקליפת המוח הנעשית בהצמדת אלקטרודות שטח לפנים החיצוניים של הגולגולת. הרישום יכול להיות ספונטני או בתגובה לגירוי קול או אור. האות המתקבל לאחר עיבוד וסינון האותות הנקלטים משמשים לאבחנה ומחקר.
אלקטרו-קרדיו-גרם (ECG)
רישום הפעילות החשמלית של שריר הלב באמצעות אלקטרודות המונחות בנקודות מסוימות על בית החזה. הרישום מתבצע באופן שגרתי על ידי טכנאי ומפוענח על ידי רופא ומתקבל ממנו מידע רב על מצבו של הלב ועל התרחשות של תופעות פתולוגיות בפעילותו.
אלקטרו-מיו-גרם (EMG)
רישום חשמלי משרירי השלד. בעזרת אלקטרודת שטח אפשר לרשום פעילות משריר שלם ובעזרת אלקטרודת מחט אפשר לרשום פעילות של קבוצת תאי שריר. הרישומים משמשים רופאים ומומחים לאבחון מחלות או לבדיקת כושרו ופעילותו של השריר.
אלקטרו-ניסטגמו-גרם (ENG)
רישום חשמלי בטכניקה דומה משרירים המזיזים את גלגלי העיניים. באמצעות רישום זה רופאים ומומחים יכולים לבדוק את כושרם ופעילותם של שרירי העיניים ומידת הדיוק של המוח בהפעלתם.
ראו גם
קישורים חיצוניים
אלקטרופיזיולוגיה, דף שער בספרייה הלאומית
הערות שוליים
- ↑ המחלקה להוראת המדעים, מכון ויצמן, סיכום קצר על חומרים יוניים – מבנה וקישור, 2017-03-30
- ↑ Casey Henley, Voltage Clamp, 2021-01-01
- ↑ Arpaporn Sutipatanasomboon, Types and Applications of Patch Clamp Electrophysiology, Conduct Science, 2022-10-31 (באנגלית אמריקאית)
- ↑ Nobel Prize in Physiology or Medicine 1991, NobelPrize.org (באנגלית אמריקאית)
אלקטרופיזיולוגיה41256897Q1154774