芬蘭單通道膜片鉗技術(shù)

離子通道結(jié)構(gòu)研究∶目前，絕大多數(shù)離子通道的一級結(jié)構(gòu)得到了闡明但根本的還是要搞清楚各種離子通道的三維結(jié)構(gòu)，在這方面，美國的二位科學(xué)家彼得·阿格雷和羅德里克麥金農(nóng)做出了一些開創(chuàng)性的工作，他們到用X光繞射方法得到了K離子通道的三維結(jié)構(gòu)，二位因此獲得2003年諾貝系化學(xué)獎。有關(guān)離子通道結(jié)構(gòu)不是本PPT的重點，可參考楊寶峰的<離子通道藥理學(xué)>和Hill的<lonicChannelsOfExcitableMembranes》。對離子通道功能的研究，主要采用記錄離子通道電流來間接反映離子通道功能，目前有如下兩種技術(shù)：電壓鉗技術(shù)（VoltageClamp），膜片鉗（patchclamp）技術(shù)。膜電位Vm由高輸入阻抗的電壓跟隨器所測量。芬蘭單通道膜片鉗技術(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。芬蘭腦片膜片鉗細(xì)胞功能特性現(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。

Flip-Tip翻轉(zhuǎn)技術(shù)、將一定密度的細(xì)胞懸液灌注在玻璃電極中，下降到電極前列的單個細(xì)胞通過在電極外施加負(fù)壓可以與玻璃電極前列形成穩(wěn)定的高阻封接，打破露在玻璃電極前列開口外的細(xì)胞膜就形成了全細(xì)胞記錄模式。德國Flyion公司的Flyscreen8500系統(tǒng)采用的就是這一技術(shù)，其通量比較高為6，即一次可同時記錄6個細(xì)胞。它的***特點是∶（1）仍然采用玻璃毛坯作為電極（2）藥物施加微量、快速。SealChip技術(shù);完全摒棄了玻璃電極，而是采用SealChip平面電極芯片一定密度的細(xì)胞懸液灌注在芯片上面，隨機下降到芯片上約1-2μm的孔上并在自動負(fù)壓的吸引下形成高阻封接，打破孔下面的細(xì)胞膜形成全細(xì)胞記錄模式。采用這一技術(shù)的美國Axon（MDS）公司的PatchXpress7000A系統(tǒng)是高通量全自動膜片鉗技術(shù)的典范，是離子通道藥物研發(fā)的**性工具，在國外實驗室和制藥廠***用于hERG通道藥理學(xué)的研究。其通量比較高為16，即一次可同時記錄16個細(xì)胞同時，其藥物施加微量、快速，不僅用于藥物篩選，還大量用于離子通道的基礎(chǔ)研究。

膜片鉗技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)成為現(xiàn)代細(xì)胞電生理的常規(guī)方法，它不僅可以作為基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)研究的工具，而且直接或間接為臨床醫(yī)學(xué)研究服務(wù)。目前膜片鉗技術(shù)廣泛應(yīng)用于神經(jīng)（腦）科學(xué)、心血管科學(xué)、藥理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、病理生理學(xué)、中醫(yī)藥學(xué)、植物細(xì)胞生理學(xué)、運動生理等多學(xué)科領(lǐng)域研究。隨著全自動膜片鉗技術(shù)（Automaticpatchclamptechnology）的出現(xiàn)，膜片鉗技術(shù)因其具有的自動化、高通量特性，在藥物研發(fā)、藥物篩選中顯示了強勁的生命力。在細(xì)胞膜的電興奮過程中，脂質(zhì)層膜電容的反應(yīng)是被動的，其電流電壓曲線是線性的。

20世紀(jì)初由Cole發(fā)明，Hodgkin和Huxleyw完善，目的是為了證明動作電位的峰電位是由于膜對鈉的通透性發(fā)生了一過性的增大過程。但當(dāng)時沒有直接測定膜通透性的辦法，于是就用膜對某種離子的電導(dǎo)來**該種離子的通透性。

為了弄清膜電導(dǎo)變化的機制和離子通道的存在，也為了克服電壓鉗的缺點Erwin和Bert在電壓鉗的基礎(chǔ)上發(fā)明了膜片鉗，并利用該技術(shù)***在蛙肌膜上記錄到PA級的乙酰膽堿激動的單通道電流，***證明了離子通道的存在。并證明在完整細(xì)胞膜上記錄到膜電流是許多單通道電流總和的結(jié)果。這一技術(shù)被譽為與分子克隆技術(shù)并駕齊驅(qū)的劃時代的偉大發(fā)明。二人因此獲得諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎。 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)。進(jìn)口雙分子層膜片鉗離子通道

在膜電位改變時，在電場的作用下，重新分布導(dǎo)致通道的關(guān)閉，同時有電荷移動，稱為門控電流。芬蘭單通道膜片鉗技術(shù)

1980年，Sigworth、Hamill、Neher等在記錄電極內(nèi)施加負(fù)壓吸引，得到了10~100GΩ的高阻封接（gigaseal），降低記錄噪聲，實現(xiàn)了單根電極既鉗制膜電位又記錄單通道電流。獲1991年Nobel獎。1955年，Hodgkin和Keens應(yīng)用電壓鉗（Voltageclap）在研究神經(jīng)軸突膜對鉀離子通透性時發(fā)現(xiàn)放射性鉀跨軸突膜的運動很像是通過許多狹窄空洞的運動，并提出了"通道"的概念。1963年，描述電壓門控動力學(xué)的Hodgkin-Hx上模型（簡稱H-H模型）榮獲譜貝爾醫(yī)學(xué)/生理學(xué)獎。1976年，Neher和Sakmann建立膜片鉗（Patchclamp）按術(shù)。1983年10月，《Single-ChannelRecording》一書問世，奠定了膜片鉗技術(shù)的里程碑。1991年，Neher和Sakmann的膜片鋪技術(shù)榮獲諾貝爾醫(yī)學(xué)/生理學(xué)獎。芬蘭單通道膜片鉗技術(shù)

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