پیشرفت‌های شاخص‌های ولتاژ غشایی و تکنیک‌های تصویربرداری

این روش‌ها مزایایی همچون غیرتهاجمی بودن، امکان ثبت فعالیت الکتریکی در زمان واقعی و مناسب بودن برای غربالگری با توان عملیاتی بالا را ارائه می‌دهند. شاخص‌های ولتاژ مانند رنگ‌های اپتیکی، تغییرات در شدت میدان الکتریکی را به فلورسانس یا جذب اشعه UV تبدیل می‌کنند. مکانیسم پاسخ آن‌ها که به ساختار مولکولی رنگ بستگی دارد، شامل جابه‌جایی مولکول‌های رنگ در غشاء یا تغییر مکان الکترون‌های رنگ است. این رنگ‌ها برای اندازه‌گیری پتانسیل غشایی و بررسی فعالیت پمپ‌های یونی مانند Na⁺/K^+-ATPase کاربرد دارند. شاخص‌های اپتیکی ولتاژ به‌طور ویژه وضوح فضایی و زمانی بالایی را برای مشاهده تغییرات پتانسیل غشایی در سلول‌های زنده فراهم می‌کنند و امکان مطالعه‌ی دقیق و پویا بر روی عملکرد سلولی را مهیا می‌سازند. این ویژگی در کاربردهای علوم اعصاب، قلب‌شناسی و کشف دارو بسیار حیاتی است.

این مطالعه که در Quarterly Reviews of Biophysics-2025 به چاپ رسیده است، به پیشرفت‌های اخیر در شاخص‌های ولتاژ برای اندازه‌گیری RMP و نوسانات پتانسیل غشایی، مانند دپلاریزاسیون و هایپرپولاریزاسیون، می‌پردازد. ابتدا مرور مختصری بر فیزیک و زیست‌شناسی پتانسیل‌های غشایی از جمله RMP ارائه می‌شود. سپس شاخص‌های ولتاژ به دو دسته‌ی رنگ‌های کند و سریع تقسیم شده و نمونه‌های خاصی مانند رنگ‌های الکتروکرومیک، رنگ‌های مبتنی بر انتقال انرژی رزونانسی فلورسانس (FRET)، رنگ‌های مبتنی بر سیم مولکولی، فلوروفورهای BODIPY، نقاط کوانتومی (QDs) و شاخص‌های ولتاژ رمزگذاری‌شده‌ی ژنتیکی (GEVIs) مورد بحث قرار می‌گیرند. همچنین، تکنیک‌های تصویربرداری مختلف برای مشاهده‌ی پتانسیل غشایی، از جمله میکروسکوپی فلورسانس، فلوسیتومتری، تصویربرداری حجمی ولتاژ، تصویربرداری چندحالته، تصویربرداری فوتواکوستیک (PAI)، تولید هارمونیک دوم (SHG) و میکروسکوپی دو فوتونی (2PM) بررسی می‌شوند. علاوه بر این، راهبردهای مختلف کالیبراسیون، مانند روش‌های مبتنی بر یونوفور و کالیبراسیون رنگ‌های آلی باردار، همراه با عواملی که بر دقت و صحت تأثیر می‌گذارند، مورد توجه قرار می‌گیرند. در نهایت، پیشرفت‌های اخیر در این حوزه با تمرکز بر بهبود حساسیت، اختصاصیت و کاربردهای عملی مورد بررسی قرار می‌گیرند و بر پتانسیل آن‌ها در تحول تحقیقات الکتروفیزیولوژی سلولی و علوم اعصاب تأکید می‌شود.

پیشرفت‌ها در شاخص‌های ولتاژ برای اندازه‌گیری RMP و نوسانات پتانسیل غشایی، مانند دپلاریزاسیون و هایپرپولاریزاسیون، گامی تحول‌آفرین در الکتروفیزیولوژی سلولی محسوب می‌شوند. این ابزارهای نوآورانه، شامل رنگ‌های سریع و کند، رنگ‌های الکتروکرومیک و مبتنی بر FRET، فلوروفورهای BODIPY، QDs و GEVIs، امکان اندازه‌گیری غیرتهاجمی و بلادرنگ را با وضوح فضایی و زمانی فوق‌العاده فراهم می‌کنند. در کنار تکنیک‌های تصویربرداری پیشرفته‌ای مانند میکروسکوپی فلورسانس، فلوسیتومتری، تصویربرداری حجمی ولتاژ، PAI و SHG، این پیشرفت‌ها محدودیت‌های روش‌های سنتی مانند تکنیک پتچ-کلمپ را برطرف کرده و جایگزین‌های متنوع و با توان عملیاتی بالا ارائه می‌دهند. افزایش حساسیت و اختصاصیت این ابزارها، چشم‌اندازهای نوینی را برای تحقیقات در علوم اعصاب، قلب‌شناسی و کشف دارو ایجاد کرده و درک عمیق‌تری از سیستم‌های زیستی پیچیده و پویایی‌های پتانسیل غشایی فراهم می‌کند. این نوآوری‌ها مسیر را برای کاربردهای پیشرفته و مطالعات بنیادی هموار می‌سازند.