多通道膜片钳离子电流

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。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。多通道膜片钳离子电流

1976年德国马普生物物理化学研究所Neher和Sakmann在青蛙肌细胞上记录记录到AChjihuo的单通道离子电流1980年Sigworth等用负压吸引，得到10-100GΩ的高阻封接（Giga-sea1），降低了记录时的噪声1981年Hamill和Neher等引进了膜片游离技术和全细胞记录技术1983年10月，《Single-ChannelRecording》一书问世，奠定了膜片钳技术的里程碑。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，使得与电极前列开口处相接的细胞膜的膜片与周围在电学上绝缘，在此基础上固定电位，对此膜片上的离子通道的离子电流（pA级）进行监测记录的方法。多通道膜片钳离子电流早期的研究多使用双电极电压钳技术作细胞内电活动的记录。

膜片钳技术的发展∶全自动膜片钳技术（Automated patch clamp technique）的出现标志着膜片钳技术已经发展到了一个崭新阶段，从这个意义上说，前面所讲的膜片钳技术我们称之为传统膜片钳技术（ Traditional patch clamp technique），传统膜片钳技术每次只能记录一个细胞（或一对细胞），对实验人员来说是一项耗时耗力的工作，不适合在药物开发初期和中期进行大量化合物的筛选，也不适合需要记录火量细胞的基础实验研究。全自动膜片钳技术的出现在很大程度上解决了这些问题，它不仅通量高，一次能记录几个甚至几十个细胞，而且从找细胞、形成封接、破膜等整个实验操作实现了自动化，免除了这些操作的复杂与困难。这两个优点使得膜片钳技术的工作效率提高了!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。此外，全自动膜片钳技术只能进行全细胞记录模式、穿孔膜片钳记录模式以及细胞贴附式单通道记录模式，而不能进行其他模式的记录。

全细胞记录构型(whole-cellrecording) 高阻封接形成后，继续以负压抽吸使电极管内细胞膜破裂，电极胞内液直接相通，而与浴槽液绝缘，这种形式称为“全细胞”记录。它既可记录膜电位又可记录膜电流。其中膜电位可在电流钳情况下记录，或将玻管连到标准高阻微电极放大器上记录。在电压钳条件下记录到的大细胞全细胞电流可达nA级，全细胞钳的串联电阻(玻管和细胞内部之间的电阻)应当补偿。任何流经膜的电流均流经这一电阻，所引起的电压降将使玻管电压不同于细胞内的真正电位。电流愈大，愈需对串联电阻进行补偿。全细胞钳应注意细胞必需合理的小到其电流能被放大器测到的范围(25～50nA)。减少串联电阻的方法是玻管尖要比单通道记录大。脂质层电导很低，由于双分子层的结构特点，形成了细胞的膜电容，通道蛋白开闭状况主要决定了膜电导的数值。

离子选择性（selectivity）（大小和电荷）∶某一种离子只能通过与其相应的通道跨膜扩散（安静∶K＞Na100倍、兴奋;Na＞K10-20倍）;各离子通道在不同状态下，对相应离子的通透性不同。门控特性（Gating）∶失活状态不仅是通道处于关闭状态，而且只有在经过一个额外刺激使通道从失活关闭状态进入静息关闭状态后，通道才能再度接受外界刺激而***开放。离子通道的功能(FunctionoflonChannels)1.产生细胞生物电现象，与细胞兴奋性相关。2.神经递质的释放、腺体的分泌、肌肉的运动、学习和记忆3.维持细胞正常形态和功能完整性膜离子通道的基因变异及功能障碍与许多疾病有关，某些先天性与后天获得性疾病是离子通道基因缺陷与功能改变的结果，称为离子通道病（ionchannelpathies）。一些学者建立了组织切片膜片钳技术（Slicepatch），就能在哺乳动物脑片制备上做全细胞记录。多通道膜片钳离子电流

膜片钳技术的建立，对生物学科学特别是神经科学是一资有重大意义的变革。多通道膜片钳离子电流

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。多通道膜片钳离子电流

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