高通量全自动膜片钳系统

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。膜片钳80%的工夫在于刺备细胞。高通量全自动膜片钳系统

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。膜片钳蛋白质分子水平离子通道是一种特殊的膜蛋白，它横跨整个膜结构，是细胞内部与部外联系的桥梁和细胞内外物质交换的孔道。

膜片钳放大器是整个实验系统中的主要，它可用来作单通道或全细胞记录，其工作模式可以是电压钳，也可以是电流钳。从原理来说，膜片钳放大器的探头电路即I-V变换器有两种基本结构形式，即电阻反馈式和电容反馈式，前者是一种典型的结构，后者因用反馈电容取代了反馈电阻，降低了噪声，所以特别适合较低噪声的单通道记录。由于供膜片钳实验的专门的计算机硬件及相应的软件程序的相继出现，使得膜片钳实验操作简便、效率提高。如与EPC-9型膜片钳放大器（内含ITC-16数据采集/接口卡）配套使用的软件PULSE/PULSEFIT，它既可产生刺激波形，控制数据采集，又可分析数据，同时具有用于膜电容监测的锁相放大器，多种软件功能集成于一体。

膜片钳放大器的工作模式;（1）电压钳模式∶在钳制细胞膜电位的基础上改变膜电位，记录离子通道电流的变化，记录的是诸如通道电流;EPSC;IPSC等电流信号。是膜片钳的基本工作模式.（2）屯流钳素向细胞内注入刺激电流，记录膜电位对刺激电流的反应。记录的是诸如动作电位，EPSP;IPSP等电压信号。膜片钳技术实现膜电位固定的关键是在玻璃微电极前列边缘与细胞膜之间形成高阻（10GΩ）密封，使电极前列开口处相接的细胞膜片与周围环境在电学上隔离，并通过外加命令电压钳制膜电位。膜片钳技术实现了小片膜的孤立和高阻封接的形成。

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。小片膜的孤立使对单个离子通道进行研究成为可能。进口膜片钳电生理工具

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。高通量全自动膜片钳系统

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。高通量全自动膜片钳系统

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