全细胞膜片钳离子电流

膜片钳的基本原理则是利用负反馈电子线路，将微电极前列所吸附的一个至几个平方微米的细胞膜的电位固定在一定水平上，对通过通道的微小离子电流作动态或静态观察，从而研究其功能。膜片钳技术实现膜电流固定的关键步骤是在玻璃微电极前列边缘与细胞膜之间形成高阻密封，其阻抗数值可达10～100GΩ(此密封电阻是指微电极内与细胞外液之间的电阻)。由于此阻值如此之高，故基本上可看成绝缘，其上之电流可看成零，形成高阻密封的力主要有氢健、范德华力、盐键等。此密封不仅电学上近乎绝缘，在机械上也是较牢固的。又由于玻璃微电极前列管径很小，其下膜面积只约1μm2，在这么小的面积上离子通道数量很少，一般只有一个或几个通道，经这一个或几个通道流出的离子数量相对于整个细胞来讲很少，可以忽略，也就是说电极下的离子电流对整个细胞的静息电位的影响可以忽略，那么，只要保持电极内电位不变，则电极下的一小片细胞膜两侧的电位差就不变，从而实现电位固定。典型的单通道电流呈一种振幅相同而持续时间不等的脉冲样变化。全细胞膜片钳离子电流

1976年德国马普生物物理化学研究所Neher和Sakmann在青蛙肌细胞上用双电极钳制膜电位的同时，记录到ACh启动的单通道离子电流，从而产生了膜片钳技术。1980年Sigworth等在记录电极内施加5-50cmH2O的负压吸引，得到10-100GΩ的高阻封接（Giga-seal），明显降低了记录时的噪声实现了单根电极既钳制膜片电位又记录单通道电流的突破。1981年Hamill和Neher等对该技术进行了改进，引进了膜片游离技术和全细胞记录技术，从而使该技术更趋完善，具有1pA的电流灵敏度、1μm的空间分辨率和10μs的时间分辨率。1983年10月，《Single-ChannelRecording》一书问世，奠定了膜片钳技术的里程碑。Sakmann和Neher也因其杰出的工作和突出贡献，荣获1991年诺贝尔医学和生理学奖。全细胞膜片钳离子电流全自动膜片钳技术采用的标本必须是悬浮细胞，像脑片这类标本无法采用。

 膜片钳技术本质上也属于电压钳范畴，两者的区别关键在于：①膜电位固定的方法不同；②电位固定的细胞膜面积不同，进而所研究的离子通道数目不同。电压钳技术主要是通过保持细胞跨膜电位不变，并迅速控制其数值，以观察在不同膜电位条件下膜电流情况。因此只能用来研究整个细胞膜或一大块细胞膜上所有离子通道活动。目前电压钳主要用于巨大细胞的全性能电流的研究，特别在分子克隆的卵母细胞表达电流的鉴定中发挥着其他技术不能替代的作用。该技术的主要缺陷是必须在细胞内插入两个电极，对细胞损伤很大，在小细胞如元，就难以实现，又因细胞形态复杂，很难保持细胞膜各处生物特性的一致。

离子通道结构研究∶目前，绝大多数离子通道的一级结构得到了阐明但根本的还是要搞清楚各种离子通道的三维结构，在这方面，美国的二位科学家彼得·阿格雷和罗德里克麦金农做出了一些开创性的工作，他们到用X光绕射方法得到了K离子通道的三维结构，二位因此获得2003年诺贝系化学奖。有关离子通道结构不是本PPT的重点，可参考杨宝峰的<离子通道药理学>和Hill的<lonicChannelsOfExcitableMembranes》。对离子通道功能的研究，主要采用记录离子通道电流来间接反映离子通道功能，目前有如下两种技术：电压钳技术（VoltageClamp），膜片钳（patchclamp）技术。而由通道蛋白介导的膜电导构成了膜反应的主动成分，它的电流电压关系是非线性的。

这一设计模式似乎几十年都没有改变过，作为一个有着近20年膜片钳经验的科研工作者，记得自己进入实验室次看到的放大器就差不多是这样，也不觉得还会有什么变化。直到笔者在19年访问欧洲的一个同样做电生理的实验室的时候，发现了这样一款独特的放大器，让笔者眼前一亮，这款放大器从前置放大器出来的线竟然就直接连接在了电脑上，当笔者问他们放大器和数模呢？他们说，你看到的就是全部了，所以的部件都包含在了这个前置放大器中。膜片钳技术原理膜片钳技术是用玻璃微电极接触细胞，形成吉欧姆（GΩ）阻抗。全细胞膜片钳离子电流

在细胞膜的电兴奋过程中，脂质层膜电容的反应是被动的，其电流电压曲线是线性的。全细胞膜片钳离子电流

钙成像技术被广泛应用于实时监测神经元、心肌以及多种细胞胞内钙离子的变化，从而检测神经元、心肌的活动情况。这些技术是人们观测神经以及多种细胞活动为直接的手段，现已发展为生命科学研究的热点，也是国家自然科学基金等鼓励申报的重要领域。光遗传学调控技术是近几年正在迅速发展的一项整合了光学、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物技术。NatureMethods杂志将此技术评为"Methodoftheyear2010"[19]；美国麻省理工学院科技评述（MITTechnologyReview，2010）在其总结性文章"Theyearinbiomedicine"中指出：光遗传学调控技术现已经迅速成为生命科学，特别是神经和心脏研究领域中热门的研究方向之一。目前这一技术正在被全球几百家从事心脏学、神经科学和神经工程研究的实验室使用，帮助科学家们深入理解大脑的功能，进而为深刻认识神经、精神疾病、心血管疾病的发病机理并研发针对疾病干预和的新技术。全细胞膜片钳离子电流

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