全细胞膜片钳离子通道

膜片钳技术发展历史：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。在细胞膜的电学模型中，膜电容和膜电导构成了一个并联回路。全细胞膜片钳离子通道

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，当通道开放时。细胞内外的一些无机离子如Na，kCa等带电离子可经通道顺浓度梯度或电位梯度进行跨膜扩散，从而形成这些带电离子在膜内外的不同分布态势，这种态势和在不同状态下的动态变化是可兴奋细胞静息电位和动作电的基础。这些无机离子通过离子通道的进围所产生的电活动是生命活动的基础，只有在此基础上才可能有腺体分泌、肌肉收缩、基因表达、新陈代谢等生命活动。离子通道结构和功能障碍决定了许多疾病的发生和发展。因此，了解离子通道的结构、功能以及结构与功能的关系对于从分子水平深入探讨某些疾病的病理生理机制、发现特异药物或措施等均具有十分重要的理论和实际意义。美国单通道膜片钳实验操作由于电极前列与细胞膜的高阻封接，在电极前列笼罩下的那片膜事实上与膜的其他部分从电学上隔离。

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。

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。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。

对电极持续施加一个1mV、10～50ms的阶跃脉冲刺激，电极入水后电阻约4～6MΩ，此时在计算机屏幕显示框中可看到测试脉冲产生的电流波形。开始时增益不宜设得太高，一般可在1～5mV/pA，以免放大器饱和。由于细胞外液与电极内液之间离子成分的差异造成了液结电位，故一般电极刚入水时测试波形基线并不在零线上，须首先将保持电压设置为0mV，并调节“电极失调控制“使电极直流电流接近于零。用微操纵器使电极靠近细胞，当电极前列与细胞膜接触时封接电阻指示Rm会有所上升，将电极稍向下压，Rm指示会进一步上升。通过细塑料管向电极内稍加负压，细胞膜特性良好时，Rm一般会在1min内快速上升，直至形成GΩ级的高阻抗封接。一般当Rm达到100MΩ左右时，电极前列施加轻微负电压(-30～-10mV)有助于GΩ封接的形成。此时的现象是电流波形再次变得平坦，使电极超极化由-40到-90mV，有助于加速形成封接。为证实GΩ封接的形成，可以增加放大器的增益，从而可以观察到除脉冲电压的首尾两端出现电容性脉冲前列电流之外，电流波形仍呈平坦状。微电极的制备膜片钳电极是用外径为1-2mm的毛细玻璃管拉制成的。芬兰单通道膜片钳专题

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。全细胞膜片钳离子通道

 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。全细胞膜片钳离子通道

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