美國(guó)膜片鉗離子電流

鈣成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)神經(jīng)元、心肌以及多種細(xì)胞胞內(nèi)鈣離子的變化，從而檢測(cè)神經(jīng)元、心肌的活動(dòng)情況。這些技術(shù)是人們觀測(cè)神經(jīng)以及多種細(xì)胞活動(dòng)為直接的手段，現(xiàn)已發(fā)展為生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)，也是國(guó)家自然科學(xué)基金等鼓勵(lì)申報(bào)的重要領(lǐng)域。光遺傳學(xué)調(diào)控技術(shù)是近幾年正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)整合了光學(xué)、基因操作技術(shù)、電生理等多學(xué)科交叉的生物技術(shù)。NatureMethods雜志將此技術(shù)評(píng)為"Methodoftheyear2010"[19]；美國(guó)麻省理工學(xué)院科技評(píng)述（MITTechnologyReview，2010）在其總結(jié)性文章"Theyearinbiomedicine"中指出：光遺傳學(xué)調(diào)控技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)迅速成為生命科學(xué)，特別是神經(jīng)和心臟研究領(lǐng)域中熱門的研究方向之一。目前這一技術(shù)正在被全球幾百家從事心臟學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)工程研究的實(shí)驗(yàn)室使用，幫助科學(xué)家們深入理解大腦的功能，進(jìn)而為深刻認(rèn)識(shí)神經(jīng)、精神疾病、心血管疾病的發(fā)病機(jī)理并研發(fā)針對(duì)疾病干預(yù)和的新技術(shù)。一些學(xué)者建立了組織切片膜片鉗技術(shù)（Slicepatch），就能在哺乳動(dòng)物腦片制備上做全細(xì)胞記錄。美國(guó)膜片鉗離子電流

高阻封接問題的解決不僅改善了電流記錄性能，還隨之出現(xiàn)了研究通道電流的多種膜片鉗方式。根據(jù)不同的研究目的，可制成不同的膜片構(gòu)型。(1)細(xì)胞吸附膜片(cell-attachedpatch)將兩次拉制后經(jīng)加熱拋光的微管電極置于清潔的細(xì)胞膜表面上，形成高阻封接，在細(xì)胞膜表面隔離出一小片膜，既而通過微管電極對(duì)膜片進(jìn)行電壓鉗制，分辨測(cè)量膜電流，稱為細(xì)胞貼附膜片。由于不破壞細(xì)胞的完整性，這種方式又稱為細(xì)胞膜上的膜片記錄。此時(shí)跨膜電位由玻管固定電位和細(xì)胞電位決定。因此，為測(cè)定膜片兩側(cè)的電位，需測(cè)定細(xì)胞膜電位并從該電位減去玻管電位。從膜片的通道活動(dòng)看，這種形式的膜片是極穩(wěn)定的，因細(xì)胞骨架及有關(guān)代謝過程是完整的，所受的干擾小。日本高通量全自動(dòng)膜片鉗單細(xì)胞全自動(dòng)膜片鉗技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著膜片鉗技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)嶄新階段。

離子通道的近代觀念源于Hodgkin、Huxley、Katz等人在20世紀(jì)30—50年代的開創(chuàng)性研究。在1902年，Bernstein創(chuàng)造性地將Nernst的理論應(yīng)用到生物膜上，提出了“膜學(xué)說”。他認(rèn)為在靜息狀態(tài)下，細(xì)胞膜只對(duì)鉀離子具有通透性；而當(dāng)細(xì)胞興奮的瞬間，膜的破裂使其喪失了選擇通透性，所有的離子都可以自由通過。Cole等人在1939年進(jìn)行的高頻交變電流測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)動(dòng)作電位被觸發(fā)時(shí)，雖然細(xì)胞的膜電導(dǎo)大為增加，但膜電容卻只略有下降，這個(gè)事實(shí)表明膜學(xué)說所宣稱的膜破裂的觀點(diǎn)是不可靠的。1949年Cole在玻璃微電極技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)明了電壓鉗位（voltage clamp technique）技術(shù)

全細(xì)胞膜片鉗記錄（whole-cellpatch-clamprecording）是應(yīng)用*早，也是*廣的鉗位技術(shù)，它相當(dāng)于連續(xù)的單電極電壓鉗位記錄，也就是說全細(xì)胞記錄類似于傳統(tǒng)的細(xì)胞內(nèi)記錄，但它具有更大的優(yōu)越性，如高分辨率、低噪聲、極好的穩(wěn)定性以及能控制細(xì)胞內(nèi)的成分等。全細(xì)胞記錄技采測(cè)定的是一個(gè)細(xì)胞內(nèi)全部**通道的電流，記錄過程中電極的溶液取代了原細(xì)胞質(zhì)的成分。雖然膜片鉗記錄技術(shù)與*初的單電極電壓鉗位相比進(jìn)步了很多，尤其在單離子通道鉗位記錄方面，細(xì)胞或腦片的組織選擇及實(shí)驗(yàn)溶液的制備仍然是很重要的步驟。膜電導(dǎo)測(cè)定的依據(jù)是電學(xué)中的歐姆定律。

膜片鉗技術(shù)是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域非常重要的一項(xiàng)技術(shù)，1976年由國(guó)馬普生物物理研究所Neher和Sakmann發(fā)明，從而在活細(xì)胞上記錄到單個(gè)離子通道的電流。近半個(gè)世紀(jì)來，膜片鉗技術(shù)已經(jīng)成為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域較常用也是較實(shí)用的技術(shù)之一，具有極大的精確性和靈活性，能夠揭示離子通道，單細(xì)胞突觸反應(yīng)，及神經(jīng)環(huán)路連接等多層次的電生理特性。做過膜片鉗的人都知道，膜片鉗的信號(hào)采集設(shè)備一般由前置放大器，放大器，模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成，神經(jīng)元電信號(hào)先通過前置放大器（headstage）初步放大，后傳輸入放大器進(jìn)一步放大，再傳入模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，后被計(jì)算機(jī)采集。下圖顯示的是我們較常使用的AXON和HEKA膜片鉗的一個(gè)信號(hào)傳輸路徑。在青蛙肌細(xì)胞上用雙電極鉗制膜電位的同時(shí)，記錄到ACh啟動(dòng)的單通道離子電流，從而產(chǎn)生了膜片鉗技術(shù)。芬蘭單電極膜片鉗電生理工具

膜片鉗技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小片膜的孤立和高阻封接的形成，增寬了記錄頻帶范圍，提高了分辨率。美國(guó)膜片鉗離子電流

在心血管藥理研究中的應(yīng)用，隨著膜片鉗技術(shù)在心血管方面的廣泛應(yīng)用，對(duì)血管疾病和藥物作用的認(rèn)識(shí)不僅得到了不斷更新，而且在其病因?qū)W與藥理學(xué)方面還形成了許多新的觀點(diǎn)。正如諾貝爾基金會(huì)在頒獎(jiǎng)時(shí)所說：“Neher和Sadmann的貢獻(xiàn)有利于了解不同疾病機(jī)理，為研制新的更為的藥物開辟了道路”。創(chuàng)新藥物研究與高通量篩選，目前在離子通道高通量篩選中主要是進(jìn)行樣品量大、篩選速度占優(yōu)勢(shì)、信息量要求不太高的初級(jí)篩選。近幾年，分別形成了以膜片鉗和熒光探針為基礎(chǔ)的兩大主流技術(shù)市場(chǎng)。將電生理研究信息量大、靈敏度高等特點(diǎn)與自動(dòng)化、微量化技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了自動(dòng)化膜片鉗等一些新技術(shù)。美國(guó)膜片鉗離子電流

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