QPatch Compact Opto：基于光学调控的离子通道研究

Application Report

引言 (Introduction)

光遗传学（Optogenetics）结合遗传学与光学手段，以实现对离子通道和神经元活动的精确调控。多种光敏离子通道（包括兴奋性和抑制性）可以被不同波长的光触发。自从发现绿藻中的一类光受体——通道视紫红质（Channelrhodopsin, ChR）以来，光敏蛋白的开发呈现出爆发式增长，目前已经涵盖了种类繁多的受体、酶类和离子通道（Jiang et al., 2017）。

其中，研究最为深入的通道视紫红质2（Channelrhodopsin-2, ChR2）是一种对光敏感的非选择性阳离子通道，可通透Na?、K?和Ca2?离子。当受到光照时，该通道开放并使细胞膜去极化（Volkov et al., 2017）。ChR2及其同类通道已成为神经科学研究的重要工具，用于揭示神经机制以及开发神经疾病的治疗策略。

光激化学（Photoactivated chemistry）利用光照触发化学反应，从而实现对离子通道的研究，并为其功能研究和治疗潜力提供新视角。将光遗传学与自动膜片钳技术相结合，可以在高度时间可控的条件下对受体、离子通道及其他蛋白进行药理学研究（Zayat et al., 2003）。相关化合物主要包括两类：其一为“笼合化合物”（Caged compound），通常为大分子结构，经光照裂解后释放出活性配体；其二为“光开关配体”（Photoswitchable ligand），在光刺激下转变为活性构象，光照移除后则恢复至原始构象。

摘要 (Summary)

借助QPatch Compact Opto的光学功能，可以同时评估光敏离子通道和光激活配体的特性。本研究主要进行了以下两类实验：

光遗传学实验：

蓝光激活的离子通道ChR2在QPatch Compact Opto系统中成功表达并实现光激活。随着光强逐级增加，通道介导的电流也相应增强。这种直接的光学控制使得在自动膜片钳QPC实验中能够精确调控并定量分析ChR2的活性。

光激化学实验：

笼合γ-氨基丁酸（Rubi-GABA）经光照激活后，引发了GABAA_AA受体介导的电流反应。实验结果表明，GABA反应与光照强度呈剂量依赖性关系。

方法 (Methods)

ChR2/HEK-293和GABAA_AA(α5β3γ2)/HEK-293细胞按照供应商说明进行培养。ChR2与GABAA_AA受体均在HEK细胞中稳定表达。所有实验均在22°C控制温度下进行，采用多孔耗材及Sophion标准HEK全细胞膜片钳实验方案。

结果与讨论 (Results and Discussion)

图1：ChR2的光遗传学刺激

A) 左：通道视紫红质2（ChR2）光循环的四状态模型。蓝色箭头表示蓝光照射（引自 Richards et al., 2012）。右：ChR2的结构模型及其光强依赖性激活机制。

B) 左：在不同LED输出强度（10%、20%、40%和100%）及-90mV持续电位下记录的代表性光诱导电流。右：0–100%光强范围内的光强-反应关系曲线。

图2：光激化学实验

A) 笼合GABA（RuBi-GABA）在光照下释放GABA的化学结构示意（引自 Rial Verde et al., 2008）。

B) 左：光强-反应关系。GABAA_AA(α5β3γ2) 表达的细胞暴露于100μM Rubi-GABA，并在三种不同光强下进行光释放实验。右：光脉冲持续时间为1s，波长为465nm。结果显示，Rubi-GABA在50%、80%和100%光强下均产生剂量依赖性的反应（n=6）。

结论 (Conclusion)

QPatch Compact Opto系统有效地将Sophion自动膜片钳QPC系统与光遗传学刺激相结合，用于离子通道的研究。这一创新方法实现了对光敏离子通道（如ChR2）以及光激活配体（如Rubi-GABA）的精确实时调控与定量分析。实验结果表明，该系统能够为离子通道行为提供深入的研究见解，并在神经科学研究及药物开发中展现出广阔的应用潜力。该综合研究工具包有助于进一步理解离子通道动力学，并为未来的科学探索和治疗干预提供新的可能。