德国双电极膜片钳电生理技术

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）。 现代膜片钳技术是在电压钳技术的基础上发展起来的。德国双电极膜片钳电生理技术

内面向外膜片(inside-outpatch)高阻封接形成后，在将微管电极轻轻提起，使其与细胞分离，电极端形成密封小泡，在空气中短暂暴露几秒钟后，小泡破裂再回到溶液中就得到“内面向外”膜片。此时膜片两侧的膜电位由固定电位和电压脉冲控制。浴槽电位是地电位，膜电位等于玻管电位的负值。如放大器的电流监视器输出是非反向的，则输出将与膜电流(Im)的负值相等。外面向外膜片(out-sidepatch)高阻封接形成后，继续以负压抽吸，膜片破裂再将玻管慢慢地从细胞表面垂直地提起，断端游离部分自行融合成脂质双层，此时高阻封接仍然存在。而膜外侧面接触浴槽液。这种膜片形式应测膜片电阻，并消除漏电流和电容电流。整个过程要当心是否形成囊泡。如果浴槽保持地电位水平，膜电位即与玻管电位相等。如放大器是非反向的，放大器的输出将与Im值相等。芬兰细胞膜片钳离子通道膜片钳技术实现了小片膜的孤立和高阻封接的形成，增宽了记录频带范围，提高了分辨率。

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。

电压钳技术，是20世纪初由Cole发明，Hodgkin和Huxley完善，其设计的主要目的是为了证明动作电位的产生机制，即动作电位的峰电位是由于膜对钠的通透性发生了一过性的增大过程。但当时没有直接测定膜通透性的方法，于是就用膜对某种离子的电导来**该种离子的通透性，膜电导测定的依据是电学中的欧姆定律，如膜的Na电导GNa与电化学驱动力（Em-ENa）和膜电流INa的关系GNa= INa/（Em-ENa）.因此可通过测量膜电流，再利用欧姆定律来计算膜电导，但是，利用膜电流来计算膜电导时，记录膜电流期间的膜电位必须保持不变，否则膜电流的变化就不能**膜电导的变化。这一条件是利用电压钳技术实现的。下张幻灯中的右边两张图是Hodgkin和Huxley在半个世纪以前利用电压钳记录的抢乌贼的动作电位和动作电位过程中的膜电流的变化图，他们的实验***证明参与动作电位的离子流由Na，k ，漏（Cl）三种成分组成。并对这些离子流进行了定量分析。这一技术对阐明动作电位的本质和离子通道的的研究做出了极大的贡献。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。

Flip-Tip翻转技术、将一定密度的细胞悬液灌注在玻璃电极中，下降到电极前列的单个细胞通过在电极外施加负压可以与玻璃电极前列形成稳定的高阻封接，打破露在玻璃电极前列开口外的细胞膜就形成了全细胞记录模式。德国Flyion公司的Flyscreen8500系统采用的就是这一技术，其通量比较高为6，即一次可同时记录6个细胞。它的***特点是∶（1）仍然采用玻璃毛坯作为电极 （2）药物施加微量、快速。

SealChip技术;完全摒弃了玻璃电极，而是采用SealChip平面电极芯片一定密度的细胞悬液灌注在芯片上面，随机下降到芯片上约1-2μm的孔上并在自动负压的吸引下形成高阻封接，打破孔下面 的细胞膜形成全细胞记录模式。采用这一技术的美国Axon （MDS）公司的 PatchXpress 7000A系统是高通量全自动膜片钳技术的典范，是离子通道药物研发的**性工具，在国外实验室和制药厂***用于 hERG通道药理学的研究。其通量比较高为16，即一次可同时记录16个细胞同时，其药物施加微量、快速，不仅用于药物筛选，还大量用于离子通道的基础研究。 这是一种以记录通过离子通道的离子电流来反映细胞膜单一的或多个的离子通道分子活动的技术。德国双电极膜片钳参数

维持细胞正常形态和功能完整性。德国双电极膜片钳电生理技术

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<lonic Channels Of Excitable Membranes 》。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（Voltage Clamp），膜片钳（patch clamp）技术。德国双电极膜片钳电生理技术