雙分子層膜片鉗單細(xì)胞

膜片鉗技術(shù)是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域非常重要的一項技術(shù)，1976年由國馬普生物物理研究所Neher和Sakmann發(fā)明，從而在活細(xì)胞上記錄到單個離子通道的電流。近半個世紀(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，后被計算機(jī)采集。下圖顯示的是我們較常使用的AXON和HEKA膜片鉗的一個信號傳輸路徑。膜片鉗記錄不但能夠在神經(jīng)元胞體及其樹突上進(jìn)行，而且可同時在這兩個不同的部位作膜片鉗記錄。雙分子層膜片鉗單細(xì)胞

電壓鉗的缺點(diǎn)∶電壓鉗技術(shù)目前主要用于巨火細(xì)胞的全細(xì)胞電流研究，特別在分子克隆的卵母細(xì)胞表達(dá)電流的鑒定中發(fā)揮其它技術(shù)不能替代的作用。但也有其致命的弱點(diǎn)1、微電極需刺破細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，以致造成細(xì)胞漿流失，破壞了細(xì)胞生理功能的完整性;2、不能測定單一通道電流。因?yàn)殡妷恒Q制的膜面積很大，包含著大量隨機(jī)開放和關(guān)閉著的通道，而且背景噪音大，往往掩蓋了單一通道的電流。3、對體積小的細(xì)胞（如哺乳類***元，直徑在10-30μm之間）進(jìn)行電壓鉗實(shí)驗(yàn)，技術(shù)上有更大的困難。由于電極需插入細(xì)胞，不得不將微電極的前列做得很細(xì)，如此細(xì)的前列致使電極阻抗很大，常常是60～-8OMΩ或120～150MΩ（取決于不同的充灌液）。這樣大的電極阻抗不利于作細(xì)胞內(nèi)電流鉗或電壓鉗記錄時在短時間（0.1μs）內(nèi)向細(xì)胞內(nèi)注入電流，達(dá)到鉗制膜電壓或膜電流之目的。再者，在小細(xì)胞上插入的兩根電極可產(chǎn)生電容而降低測量電壓電極的反應(yīng)能力。美國單通道膜片鉗離子電流屯流鉗素向細(xì)胞內(nèi)注入刺激電流，記錄膜電位對刺激電流的反應(yīng)。

細(xì)胞是動物和人體的基本組成單元，細(xì)胞與細(xì)胞內(nèi)的通信,是依靠其膜上的離子通道進(jìn)行的，離子和離子通道是細(xì)胞興奮的基礎(chǔ)，亦即產(chǎn)生生物電信號的基礎(chǔ)，生物電信號通常用電學(xué)或電子學(xué)方法進(jìn)行測量。由此形成了一門細(xì)胞學(xué)科———電生理學(xué)（electrophysiology），即是用電生理的方法來記錄和分析細(xì)胞產(chǎn)生電的大小和規(guī)律的科學(xué)。早期的研究多使用雙電極電壓鉗技術(shù)作細(xì)胞內(nèi)電活動的記錄。現(xiàn)代膜片鉗技術(shù)是在電壓鉗技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

膜片鉗技術(shù)發(fā)展歷史：1976年德國馬普生物物理化學(xué)研究所Neher和Sakmann在青蛙肌細(xì)胞上用雙電極鉗制膜電位的同時，記錄到ACh啟動的單通道離子電流，從而產(chǎn)生了膜片鉗技術(shù)。1980年Sigworth等在記錄電極內(nèi)施加5-50cmH2O的負(fù)壓吸引，得到10-100GΩ的高阻封接（Giga-seal），明顯降低了記錄時的噪聲實(shí)現(xiàn)了單根電極既鉗制膜片電位又記錄單通道電流的突破。1981年Hamill和Neher等對該技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，引進(jìn)了膜片游離技術(shù)和全細(xì)胞記錄技術(shù)，從而使該技術(shù)更趨完善，具有1pA的電流靈敏度、1μm的空間分辨率和10μs的時間分辨率。1983年10月，《Single-ChannelRecording》一書問世，奠定了膜片鉗技術(shù)的里程碑。Sakmann和Neher也因其杰出的工作和突出貢獻(xiàn)，榮獲1991年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎。Neher創(chuàng)膜片鉗的膜電容檢測與碳纖電極電化學(xué)檢測聯(lián)合運(yùn)用的技術(shù)。

膜片鉗技術(shù)∶從一小片（約幾平方微米）膜獲取電子學(xué)方面信息的技術(shù)，即保持跨膜電壓恒定——電壓鉗位，從而測量通過膜離子電流大小的技術(shù)。通過研究離子通道的離子流，從而了解離子運(yùn)輸、信號傳遞等信息?；驹恚豪秘?fù)反饋電子線路，將微電極前列所吸附的一個至幾個平方微米的細(xì)胞膜的電位固定在一定水平上，對通過通道的微小離子電流作動態(tài)或靜態(tài)觀察，從而研究其功能。研究離子通道的一種電生理技術(shù)，是施加負(fù)壓將玻璃微電極的前列（開口直徑約1μm）與細(xì)胞膜緊密接觸，形成高阻抗封接，可以精確記錄離子通道微小電流。能制備成細(xì)胞貼附、內(nèi)面朝外和外面朝內(nèi)三種單通道記錄方式，以及另一種記錄多通道的全細(xì)胞方式。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，由于高阻封接使背景噪聲水平**降低，相對地增寬了記錄頻帶范圍，提高了分辨率。另外，它還具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)絕緣性。而小片膜的孤立使對單個離子通道進(jìn)行研究成為可能。膜片鉗技術(shù)原理膜片鉗技術(shù)是用玻璃微電極接觸細(xì)胞，形成吉?dú)W姆（GΩ）阻抗。雙分子層膜片鉗單細(xì)胞

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。雙分子層膜片鉗單細(xì)胞

在大多數(shù)膜片鉗實(shí)驗(yàn)，要求所有實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備均具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性，以使微電極與細(xì)胞膜之間的相對運(yùn)動盡可能小。防震工作臺放置倒置顯微鏡和與之固定連接的微操縱器，其他設(shè)備置于臺外。屏蔽罩由銅絲網(wǎng)制成，接地以防止周圍環(huán)境的雜散電場對膜片鉗放大器的探頭電路的干擾。儀器設(shè)備架要靠近工作臺，便于測量儀器與光學(xué)儀器配接。倒置顯微鏡是膜片鉗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要光學(xué)部件，它不僅具有較好的視覺效果，便于將玻璃電極與細(xì)胞的頂部接觸，而且是借助移動物鏡來實(shí)現(xiàn)聚焦，具有較好的機(jī)械穩(wěn)定性。視頻監(jiān)視器主要是用來監(jiān)視實(shí)驗(yàn)過程中的操作，特別是能將封接參數(shù)（如封接阻抗）與細(xì)胞的形態(tài)對應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)良好的封接。雙分子層膜片鉗單細(xì)胞