美國膜片鉗離子電流

鈣成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實時監(jiān)測神經(jīng)元、心肌以及多種細胞胞內(nèi)鈣離子的變化，從而檢測神經(jīng)元、心肌的活動情況。這些技術(shù)是人們觀測神經(jīng)以及多種細胞活動為直接的手段，現(xiàn)已發(fā)展為生命科學研究的熱點，也是國家自然科學基金等鼓勵申報的重要領(lǐng)域。光遺傳學調(diào)控技術(shù)是近幾年正在迅速發(fā)展的一項整合了光學、基因操作技術(shù)、電生理等多學科交叉的生物技術(shù)。NatureMethods雜志將此技術(shù)評為"Methodoftheyear2010"[19]；美國麻省理工學院科技評述（MITTechnologyReview，2010）在其總結(jié)性文章"Theyearinbiomedicine"中指出：光遺傳學調(diào)控技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)迅速成為生命科學，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、神經(jīng)科學和神經(jīng)工程研究的實驗室使用，幫助科學家們深入理解大腦的功能，進而為深刻認識神經(jīng)、精神疾病、心血管疾病的發(fā)病機理并研發(fā)針對疾病干預(yù)和的新技術(shù)。一些學者建立了組織切片膜片鉗技術(shù)（Slicepatch），就能在哺乳動物腦片制備上做全細胞記錄。美國膜片鉗離子電流

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胞膜表面上，形成高阻封接，在細胞膜表面隔離出一小片膜，既而通過微管電極對膜片進行電壓鉗制，分辨測量膜電流，稱為細胞貼附膜片。由于不破壞細胞的完整性，這種方式又稱為細胞膜上的膜片記錄。此時跨膜電位由玻管固定電位和細胞電位決定。因此，為測定膜片兩側(cè)的電位，需測定細胞膜電位并從該電位減去玻管電位。從膜片的通道活動看，這種形式的膜片是極穩(wěn)定的，因細胞骨架及有關(guān)代謝過程是完整的，所受的干擾小。日本高通量全自動膜片鉗單細胞全自動膜片鉗技術(shù)的出現(xiàn)標志著膜片鉗技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個嶄新階段。

離子通道的近代觀念源于Hodgkin、Huxley、Katz等人在20世紀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“膜學說”。他認為在靜息狀態(tài)下，細胞膜只對鉀離子具有通透性；而當細胞興奮的瞬間，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年進行的高頻交變電流測量實驗表明，當動作電位被觸發(fā)時，雖然細胞的膜電導(dǎo)大為增加，但膜電容卻只略有下降，這個事實表明膜學說所宣稱的膜破裂的觀點是不可靠的。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)，它相當于連續(xù)的單電極電壓鉗位記錄，也就是說全細胞記錄類似于傳統(tǒng)的細胞內(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)定性以及能控制細胞內(nèi)的成分等。全細胞記錄技采測定的是一個細胞內(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步了很多，尤其在單離子通道鉗位記錄方面，細胞或腦片的組織選擇及實驗溶液的制備仍然是很重要的步驟。膜電導(dǎo)測定的依據(jù)是電學中的歐姆定律。

膜片鉗技術(shù)是神經(jīng)科學領(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，從而在活細胞上記錄到單個離子通道的電流。近半個世紀來，膜片鉗技術(shù)已經(jīng)成為神經(jīng)科學領(lǐng)域較常用也是較實用的技術(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。在青蛙肌細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)。芬蘭單電極膜片鉗電生理工具

膜片鉗技術(shù)實現(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，對血管疾病和藥物作用的認識不僅得到了不斷更新，而且在其病因?qū)W與藥理學方面還形成了許多新的觀點。正如諾貝爾基金會在頒獎時所說：“Neher和Sadmann的貢獻有利于了解不同疾病機理，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行樣品量大、篩選速度占優(yōu)勢、信息量要求不太高的初級篩選。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。將電生理研究信息量大、靈敏度高等特點與自動化、微量化技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了自動化膜片鉗等一些新技術(shù)。美國膜片鉗離子電流

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