芬蘭可升級膜片鉗電生理技術(shù)

實驗溶液浸溶細胞溶液和微電極玻璃管內(nèi)的填充液成分對全細胞膜片鉗記錄也是很重要的內(nèi)容，這關(guān)系到封接的容易程度、細胞存活狀態(tài)及膜電位的狀態(tài)等。在實驗記錄過程中，尤其是神經(jīng)生物學(xué)實驗，需要迅速更換細胞浸溶液濃度以免受體敏感性降低（desensitization）或需要模擬快速突觸反應(yīng)的壽命。原則上細胞的浸溶液成分或玻璃管內(nèi)填充液成分應(yīng)該與細胞外或細胞內(nèi)間質(zhì)的成分相似，實際研究中，為了探討某些通道或電位特性，對這些實驗溶液的成分或濃度會作必要調(diào)整，沒有哪種溶液是理想的。了解離子通道的功能以及結(jié)構(gòu)的關(guān)系對于從分子水平深入探討某些疾病措施等均具有十分重要的理論和實際意義。芬蘭可升級膜片鉗電生理技術(shù)

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，細胞膜只對鉀離子具有通透性；而當(dāng)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(dāng)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(xué)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)腦片膜片鉗離子通道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)。

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)評為"Methodoftheyear2010"[19]；美國麻省理工學(xué)院科技評述（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)工程研究的實驗室使用，幫助科學(xué)家們深入理解大腦的功能，進而為深刻認(rèn)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)。

電壓鉗技術(shù)，是20世紀(jì)初由Cole發(fā)明，Hodgkin和Huxley完善，其設(shè)計的主要目的是為了證明動作電位的產(chǎn)生機制，即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方法，于是就用膜對某種離子的電導(dǎo)來**該種離子的通透性，膜電導(dǎo)測定的依據(jù)是電學(xué)中的歐姆定律，如膜的Na電導(dǎo)GNa與電化學(xué)驅(qū)動力（Em-ENa）和膜電流INa的關(guān)系GNa=INa/（Em-ENa）.因此可通過測量膜電流，再利用歐姆定律來計算膜電導(dǎo)，但是，利用膜電流來計算膜電導(dǎo)時，記錄膜電流期間的膜電位必須保持不變，否則膜電流的變化就不能**膜電導(dǎo)的變化。這一條件是利用電壓鉗技術(shù)實現(xiàn)的。下張幻燈中的右邊兩張圖是Hodgkin和Huxley在半個世紀(jì)以前利用電壓鉗記錄的搶烏賊的動作電位和動作電位過程中的膜電流的變化圖，他們的實驗***證明參與動作電位的離子流由Na，k，漏（Cl）三種成分組成。并對這些離子流進行了定量分析。這一技術(shù)對闡明動作電位的本質(zhì)和離子通道的的研究做出了極大的貢獻。離子和離子通道是細胞興奮的基礎(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)方法進行測量。

與藥物作用有關(guān)的心肌離子通道，心肌細胞通過各種離子通道對膜電位和動作電位穩(wěn)態(tài)的維持而保持正常的功能。近年來，國外學(xué)者在人類心肌細胞離子通道特性的研究中取得了許多進展，使得心肌藥理學(xué)實驗由動物細胞模型向人心肌細胞成為可能。對離子通道生理與病理情況下作用機制的研究，通過對各種生理或病理情況下細胞膜某種離子通道特性的研究，了解該離子的生理意義及其在疾病過程中的作用機制。如對鈣離子在腦缺血神經(jīng)細胞損害中作用機制的研究表明，缺血性腦損害過程中，Ca2+介導(dǎo)現(xiàn)象起非常重要的作用，缺血缺氧使Ca2+通道開放，過多的Ca2+進入細胞內(nèi)就出現(xiàn)Ca2+超載，導(dǎo)致神經(jīng)元及細胞膜損害，膜轉(zhuǎn)運功能障礙，嚴(yán)重的可使神經(jīng)元壞死。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。細胞膜片鉗專題

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。芬蘭可升級膜片鉗電生理技術(shù)

1976年德國馬普生物物理化學(xué)研究所Neher和Sakmann在青蛙肌細胞上用雙電極鉗制膜電位的同時，記錄到ACh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)進行了改進，引進了膜片游離技術(shù)和全細胞記錄技術(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，榮獲1991年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎。芬蘭可升級膜片鉗電生理技術(shù)

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