美国高通量全自动膜片钳专题

膜片钳在通道研究中的重要作用用膜片钳技术可以直接观察和分辨单离子通道电流及其开闭时程、区分离子通道的离子选择性、同时可发现新的离子通道及亚型，并能在记录单细胞电流和全细胞电流的基础上进一步计算出细胞膜上的通道数和开放概率，还可以用以研究某些胞内或胞外物质对离子通道开闭及通道电流的影响等。同时用于研究细胞信号的跨膜转导和细胞分泌机制。结合分子克隆和定点突变技术，膜片钳技术可用于离子通道分子结构与生物学功能关系的研究。利用膜片钳技术还可以用于药物在其靶受体上作用位点的分析。如神经元烟碱受体为配体门控性离子通道，膜片钳全细胞记录技术通过记录烟碱诱发电流，可直观地反映出神经元烟碱受体活动的全过程，包括受体与其激动剂和拮抗剂的亲和力，离子通道开放、关闭的动力学特征及受体的失敏等活动。使用膜片钳全细胞记录技术观察拮抗剂对烟碱受体激动剂量效曲线的影响，来确定其作用的动力学特征。然后根据分析拮抗剂对受体失敏的影响，拮抗剂的作用是否有电压依赖性、使用依赖性等特点，可从功能上区分拮抗剂在烟碱受体上的不同作用位点，即判断拮抗剂是作用在受体的激动剂识别位点，离子通道抑或是其它的变构位点上。膜片钳记录不但能够在神经元胞体及其树突上进行，而且可同时在这两个不同的部位作膜片钳记录。美国高通量全自动膜片钳专题

过去认为，膜片钳只能在培养细胞或酶解的细胞上进行，这样得到的细胞膜表面比较光滑，才能够形成高阻封接，但缺点是组织的正常三维结构被破坏，并且对神经中枢内突触特有的传递机能的研究无法展开。于是，一些学者建立了组织切 片膜片钳技术（Slice patch），就能在哺乳动物脑片制备上做全细胞记录。1992年，在脑片膜片钳技术上，美国Ferster实验室***报道在在体猫的视皮层用膜片钳全细胞记录研究了视刺激诱发的兴奋性和***性突触后电位相互影响及节律性膜电位的变化规律。1993年，德国的Dodt和Sakmann合作，利用红外电视显微镜监视，使得膜片钳记录不但能够在神经元胞体及其树突上进行，而且可同时在这两个不同的部位作膜片钳记录。美国膜片钳解决方案封接（seal）是膜片钳记录的关键步骤之一。

高阻封接问题的解决不仅改善了电流记录性能，还随之出现了研究通道电流的多种膜片钳方式。根据不同的研究目的，可制成不同的膜片构型。(1)细胞吸附膜片(cell-attachedpatch)将两次拉制后经加热抛光的微管电极置于清洁的细胞膜表面上，形成高阻封接，在细胞膜表面隔离出一小片膜，既而通过微管电极对膜片进行电压钳制，分辨测量膜电流，称为细胞贴附膜片。由于不破坏细胞的完整性，这种方式又称为细胞膜上的膜片记录。此时跨膜电位由玻管固定电位和细胞电位决定。因此，为测定膜片两侧的电位，需测定细胞膜电位并从该电位减去玻管电位。从膜片的通道活动看，这种形式的膜片是极稳定的，因细胞骨架及有关代谢过程是完整的，所受的干扰小。

细胞是动物和人体的基本组成单元，细胞与细胞内的通信,是依靠其膜上的离子通道进行的，离子和离子通道是细胞兴奋的基础，亦即产生生物电信号的基础，生物电信号通常用电学或电子学方法进行测量。由此形成了一门细胞学科———电生理学（electrophysiology），即是用电生理的方法来记录和分析细胞产生电的大小和规律的科学。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。现代膜片钳技术是在电压钳技术的基础上发展起来的。膜片钳80%的工夫在于刺备细胞。

高阻封接技术还明显降低了电流记录的背景噪声，从而戏剧性地提高了时间、空间及电流分辨率，如时间分辨率可达10μs、空间分辨率可达1平方微米及电流分辨率可达10-12A。影响电流记录分辨率的背景噪声除了来自于膜片钳放大器本身外，主要还是信号源的热噪声。信号源如同一个简单的电阻，其热噪声为σn=4Kt△f/R式中σn为电流的均方差根，K为波尔兹曼常数，t为温度，△f为测量带宽，R为电阻值。可见，要得到低噪声的电流记录，信号源的内阻必需非常高。如在1kHz带宽，10%精度的条件下，记录1pA的电流，信号源内阻应为2GΩ以上。电压钳技术只能测量内阻通常达100kΩ～50MΩ的大细胞的电流，从而不能用常规的技术和制备达到所要求的分辨率。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。德国双电极膜片钳系统

不同的全自动膜片钳技术所采用的原理也不完全相同。美国高通量全自动膜片钳专题

1980年，Sigworth、Hamill、Neher等在记录电极内施加负压吸引，得到了10~100GΩ的高阻封接（gigaseal），降低记录噪声，实现了单根电极既钳制膜电位又记录单通道电流。获1991年Nobel奖。1955年，Hodgkin和Keens应用电压钳（Voltageclap）在研究神经轴突膜对钾离子通透性时发现放射性钾跨轴突膜的运动很像是通过许多狭窄空洞的运动，并提出了"通道"的概念。1963年，描述电压门控动力学的Hodgkin-Hx上模型（简称H-H模型）荣获谱贝尔医学/生理学奖。1976年，Neher和Sakmann建立膜片钳（Patchclamp）按术。1983年10月，《Single-ChannelRecording》一书问世，奠定了膜片钳技术的里程碑。1991年，Neher和Sakmann的膜片铺技术荣获诺贝尔医学/生理学奖。美国高通量全自动膜片钳专题

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