Samenvatting Methoden In Het Biomedisch Onderzoek Prof. Braeken

Samenvatting Methoden:
Prof. Braeken
Hoe moet ik dit kennen voor de examens?
 Overzicht van de verschillende methodes
 Inzicht in methodes (principes)
 Afweging van verschillende methodes (mogelijkheden, beperkingen)
 Toepassing van methodes en combinaties van methodes om concrete vraagstelling te
beantwoorden

Deel 1: Elektrofysiologische methoden


 Elektrische eigenschappen van de membraan
 Elektrofysiologische metingen van cellen
 Klassieke technieken
 Nieuwe technieken
 Optische technieken

Eerst en vooral een klein stukje geschiedenis over elektrofysiologische metingen. De eerste
metingen van ‘bio-elektriciteit’ vonden plaats in 1791 door Luigi Galvani door gebruik te
maken van kikkers. Hij zocht een correlatie tussen de intensiteit van elektrische stimuli en
spiercontractie. De verbinding tussen twee zenuwen tussen twee kikkerpoten zorgden voor het
eerste experiment dat de propagerende actiepotentiaal voorstelt. Zo ontstond het Galvinisme,
waarin ook proeven werden uitgevoerd op pas-geëxecuteerde mensen door studenten van
Galvani. De eerste opname van dierlijke elektriciteit werd uitgevoerd door Leopoldo Nobili
gebruikmakende van een galvanometer. In 1850 bepaalde Hermann von Helmholtz voor de
eerste keer de snelheid van de zenuwimpulspropagatie. Vervolgens was Bemstein in staat om
de snelheid van de zenuwimpuls heel accuraat op te meten, wat leidde tot de eerste metingen
van de rust- en actiepotentialen. De ‘voltage clamp’ techniek werd ontwikkeld door Cole,
Cortis, Hodgkin en Huxley en kon actiepotentialen meten in axonen van inktvissen. Neher en
Sakmann tenslotte waren verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de ‘patch clamp’
techniek die leidde tot het meten van enkelvoudige ionenkanalen in de jaren ’80
(Nobelprijswinnaar).

Elektrische eigenschappen van de membraan
De membraan heeft een capaciteit, omdat de membraan lading kan opladen als gevolg van
verschil in concentraties over de membraan. De membraanweerstand is afkomstig van het feit
dat de membraan een gesloten geheel is (met uitzondering van ionenkanalen) en ionen dus
niet zomaar lukraak kunnen bewegen over de membraan. Meer in detail geeft dit:
 Membraancapaciteit:
o Membraan tussen intracellulaire en extracellulaire ruimte zorgt voor een
bepaalde capaciteit gezien vanuit elektrisch oogpunt
1

, o Capaciteiten kunnen ladingen opslaan tegen de membraan
Q = Em ∙ C met Q = opgeslagen lading
Em = potentiaalverschil over de membraan
C = membraancapaciteit (in Farad)

o Hoe meer membraan, hoe meer lading kan worden opgeslagen wat dus wil
zeggen dat de capaciteit proportioneel is tot het membraanoppervlak
o De sterkte van het elektromagnetisch veld over de membraan daalt met de
afstand, want C is invers proportioneel tot de dikte van de membraan
o Het materiaal waarover de capaciteit plaatsvindt, is ook belangrijk en wordt
uitgedrukt in de diëlektrische constante (ε r)
A ∙ εr
C= met A = membraanoppervlakte
d
ε r = diëlektrische constante
d = membraandikte
 Membraanweerstand:
o De drijfkracht van een bepaald ion is het verschil tussen de
evenwichtspotentiaal (bv. EK = -90 mV) van het ion en de membraanpotentiaal
(bv. -50 mV)
o Er ontstaat een onevenwicht tussen elektrische energie en diffusie over de
membraan wat een grotere netto flux geeft van K+-ionen
o De stroom I over de membraan is dus proportioneel met de drijfkracht (in V)
en wordt gelimiteerd door de weerstand van de membraan
Em−E K
IK =
Rm, K


De basis voor elektrofysiologische metingen zijn equivalente, elektrische circuits. Een
belangrijk onderdeel van elektrische circuits zijn weerstanden met een aantal eigenschappen:
E
 Wet van Ohm dat wiskundig uitgedrukt wordt als zijnde I =
R
 Weerstanden in serie kunnen beschouwd worden als één weerstand met de som van
beide originele weerstanden, omdat de stroom vloeit door beide barrières




 Een potentiaalverschil over twee weerstanden, die in serie geschakeld staan, zal zich
proportioneel verdelen met de waarden van de weerstand

2

,  Bij weerstanden, die in parallel geschakeld staan, gaat de totale weerstand minder zijn
dan die van de afzonderlijke weerstanden, omdat er nu twee verschillende paden zijn
waar de elektrische stroom kan naartoe vloeien




 Als er een membraanpotentiaal is, zullen beide weerstanden dat potentiaal
ondervinden, maar de stroom door de weerstanden zal verschillend zijn en afhangen
van de waarden van de weerstanden waardoor de totale som van de stroom de som zal
zijn van de stromen door al de betreffende weerstanden




 Conclusies van de wet van Kirchoff zijn belangrijk voor de elektrofysiologie:
o Een spanning moet gemeten worden over een hoge weerstand en andere
weerstanden die in serie staan, moeten zo klein mogelijk zijn
o Een stroom die door parallelle weerstanden gaat, kunnen een kortsluiting
veroorzaken dus ze moeten zo groot mogelijk zijn
 Relatie tussen weerstanden en capaciteiten:
o Weerstanden en capaciteiten, die in serie geschakeld staan, vormen een RC-
circuit, want zo hangt de weerstand bij het opladen en ontladen van een
celmembraan bij een potentiaalverandering af van de weerstand
o Als er een membraanpotentiaal in een RC-circuit wordt gebracht, dan gaat de
spanning over de capaciteit exponentieel opbouwen




3