膜電位是細(xì)胞內(nèi)部和外部之間的電壓差。膜電位允許細(xì)胞充當(dāng)電池，為嵌入膜中的各種分子裝置提供動(dòng)力。在神經(jīng)元等可電興奮的細(xì)胞中，膜電位用于在細(xì)胞的不同部分之間傳遞信號(hào)。膜中某一點(diǎn)離子通道的打開或關(guān)閉都會(huì)導(dǎo)致膜電位的局部變化，從而導(dǎo)致電流迅速流向膜中的其他點(diǎn)。離子通道已被確定為重要的藥品發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

由于主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程維持的K+、Na+和Cl-濃度梯度，細(xì)胞質(zhì)膜的跨膜電位通常約為70mV（內(nèi)部為負(fù)）。盡管熒光離子指示劑可用于直接測(cè)量特定離子濃度的變化，但電位探針提供了一種間接方便的方法來(lái)檢測(cè)這些離子的異位。電位光學(xué)探針使研究人員能夠在對(duì)微電極來(lái)說(shuō)太小的細(xì)胞器和細(xì)胞中進(jìn)行膜電位測(cè)量。此外，結(jié)合成像技術(shù)，這些探針可用于繪制可興奮細(xì)胞、灌注器官和終在體內(nèi)大腦中的膜電位變化，具有使用微電極無(wú)法獲得的空間分辨率和采樣頻率。膜電位的增加和減少在許多生理過(guò)程中起著核心作用，包括神經(jīng)沖動(dòng)傳播、肌肉萎縮、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和離子通道門控。

電位探針是研究這些過(guò)程的重要工具，也是可視化線粒體（其跨膜電位約為150mV,基質(zhì)內(nèi)為負(fù)）、評(píng)估細(xì)胞活力和高通量篩選新候選藥品的重要工具。電位探針包括陽(yáng)離子或兩性離子苯乙烯染料、陽(yáng)離子碳花青和羅丹明，以及陰離子氧代醇。染料的種類決定了細(xì)胞中的積累、反應(yīng)機(jī)制和毒性等因素。為特定應(yīng)用選擇佳電位探針可能會(huì)因其光學(xué)響應(yīng)、光毒性和與其他分子相互作用的明顯變化而變得復(fù)雜。有兩類基于其響應(yīng)機(jī)制的膜電位探針：快速響應(yīng)和慢響應(yīng)膜電位染料。

快速響應(yīng)膜電位探針

   快速響應(yīng)探針具有響應(yīng)周圍電場(chǎng)變化的熒光。它們的光學(xué)響應(yīng)足夠快，可以檢測(cè)可興奮細(xì)胞（包括單個(gè)神經(jīng)元、心臟細(xì)胞和完整大腦）的瞬時(shí)（毫秒）電位變化。然而，它們依賴于電位的熒光變化的幅度通常很小，通常每mV有0.02-0.1%的熒光強(qiáng)度變化。

表一.快速響應(yīng)膜電位探針

慢響應(yīng)膜電位探針

慢響應(yīng)探針在其跨膜分布中表現(xiàn)出電位依賴性變化，并伴有熒光變化。它們的光學(xué)響應(yīng)幅度遠(yuǎn)大于快速響應(yīng)探針的幅度，通常每mV有1%的熒光變化。慢響應(yīng)探針，包括陽(yáng)離子碳菁和羅丹明以及陰離子氧代醇，適用于檢測(cè)由呼吸活動(dòng)、離子通道通透性、藥品結(jié)合和其他因素引起的非興奮性細(xì)胞平均膜電位的變化。