Voltage clamp technique in mammalian cardiac fibres

Zusammenfassung

Dem Versuch, das Membranpotential über einer definierten Membranoberfläche zu klemmen und den Membranstrom zu messen, stehen am Herzmuskel methodische Schwierigkeiten entgegen, die in der syncytialen Struktur des Herzmuskels und im kleinen Durchmesser der Faser liegen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode beschrieben, mit deren Hilfe das Membranpotential räumlich homogen im Präparat auf einen willkürlichen Wert geklemmt werden kann.

Purkinje-Fäden von Schafsherzen, die nur ein Faserbündel mit einem Durchmesser von 0,07–0,2 mm enthielten, wurden in einem Abstand von 1–2 mm zweimal abgebunden. An den verletzten Enden kann sich eine neue hochohmige Membran bilden. Dafür sprechen folgende Beobachtungen: Das Ruhepotential der Präparate, das unmittelbar nach der Abbildung niedrig ist, steigt in 20% der Fälle wieder auf normale Werte an. Der „input resistance“ (Amplitude des Elektrotonus für einen gegebenen Strompuls) ist in diesem Präparat 3,7 mal größer als an gleicher Stelle vor der Ligatur.

Die Amplitude des Elektrotonus ist an allen Stellen des Präparates praktisch gleich hoch, wenn der Strom in der Mitte des Präparates zugeführt wird. Die Stromspannungsbeziehung in Cholin-Tyrode-Lösung ist im kurzen Präparat sehr viel steiler als im langen Faserbündel.

Ein Rückkopplungsverstärker wird beschrieben mit dem das durch eine intracelluläre Elektrode abgeleitete Membranpotential verstärkt und umgekehrt wird. Der Ausgangsstrom des Verstärkers fließt durch eine zweite intracelluläre Elektrode und klemmt das Potential. Die Anordnung kann das Membranpotential konstant halten, wenn sich der „input resistance“ im Bereich von 470–50 KΩ ändert. Unter 50 KΩ nimmt das Membranpotential ab, obwohl der feedback Strom zunimmt.

Bei überschwelliger Depolarisation wurde ein konstantes Klemmpotential erst 10 msec nach dem Klemmbeginn erreicht, weil der „input resistance“ während der Spitze des Aktionspotentials sehr klein ist.

In Experimenten mit zwei membranpotentialmessenden Elektroden wurde die Homogenität der Membranpotentialänderungen im Präparat kontrolliert. Beispiele von voltage-clamp Experimenten werden gegeben und die Grenzen der Methode werden diskutiert.

Abstract

A preparation and a technique are described which allow spatially uniform voltage clamp in mammalian cardiac muscle.

Sheep Purkinje fibre bundles (diameter 0.07 to 0.2 mm) were ligated twice in a distance of 1 to 2 mm. At the injured ends of this preparation a new membrane of high resistance develops (healing over effect). This can be concluded from the following observations:

• a) The resting potentials of about 20% of the preparations recovered to normal values after ligation.

• b) In agreement with the cable equations the input resistance of the preparation is increased by a factor of 3.7 when compared with the input resistance of the fibre bundle before ligature.

• c) The current voltage relationship of the short preparations was much steeper than those determined in longer fibre bundles. This is to be expected when cable complications are reduced or absent.

A negative feedback amplifier is described, which allowed to clamp the membrane potential recorded with an intracellular electrode by current flow through a second intracellular electrode. The circuitry used is able to clamp the membrane potential to constant values when the input resistance varies in the range of 470 to 50 kΩ. When input resistance is less than 50 kΩ clamp potential decreased in spike of increasing feedback current strength.

For threshold depolarization constant clamp potentials could be obtained only 10 msec after the onset of the clamp, because of the low input resistance during the spike of the action potential. Spatial uniformity of clamp potentials was controlled. Examples of clamp experiments with the preparation and technique described are shown. The limitations of the method are discussed.