這一設(shè)計模式似乎幾十年都沒有改變過,作為一個有著近20年膜片鉗經(jīng)驗的科研工作者,記得自己進入實驗室次看到的放大器就差不多是這樣,也不覺得還會有什么變化。直到筆者在19年訪問歐洲的一個同樣做電生理的實驗室的時候,發(fā)現(xiàn)了這樣一款獨特的放大器,讓筆者眼前一亮,這款放大器從前置放大器出來的線竟然就直接連接在了電腦上,當筆者問他們放大器和數(shù)模呢?他們說,你看到的就是全部了,所以的部件都包含在了這個前置放大器中。膜片鉗技術(shù)是用玻璃微電極吸管把只含1-3個離子通道、面積為幾個平方微米的細胞膜通過負壓吸引封接起來。芬蘭單通道膜片鉗高阻抗封接
一、記錄設(shè)備首先,盡可能完善膜片鉗記錄設(shè)備是實驗前的重要步驟,如用模型細胞測定電子設(shè)備、安裝并測試應(yīng)用軟件、調(diào)節(jié)光學(xué)顯微鏡、檢驗防震工作臺等。二、微電極的制備膜片鉗電極是用外徑為1-2mm的毛細玻璃管拉制成的。標準的毛細玻璃管(外經(jīng)1.5mm,管壁厚0.3mm)適合于制作單通道記錄的微電極,而全細胞記錄則應(yīng)選管壁較?。?.16mm)的毛細玻璃管,這樣可以使電極阻抗較低。三、封接(Sealing)技術(shù)封接(seal)是膜片鉗記錄的關(guān)鍵步驟之一。封接不好噪聲太大必然影響細胞膜電信號的記錄,一般要求封接阻抗至少20GΩ才可進行常規(guī)記錄。為了形成良好封接必須保持清潔的溶液、良好的視野以及適當?shù)碾姌O鍍膜。為了獲得較好的"千兆歐封接",細胞表面必須裸露以便微電極前列能接觸細胞,細胞的大小也是成功記錄的個因素,一般選擇10-20um的細胞比較理想。日本全細胞膜片鉗報價電壓鉗技術(shù)的主要在于將膜電位固定在指令電壓的水平,這樣才能研究在給定膜電位下膜電流隨時間的變化關(guān)系。
膜片鉗技術(shù)發(fā)展歷史:1976年德國馬普生物物理化學(xué)研究所Neher和Sakmann在青蛙肌細胞上用雙電極鉗制膜電位的同時,記錄到ACh啟動的單通道離子電流,從而產(chǎn)生了膜片鉗技術(shù)。1980年Sigworth等在記錄電極內(nèi)施加5-50cmH2O的負壓吸引,得到10-100GΩ的高阻封接(Giga-seal),明顯降低了記錄時的噪聲實現(xiàn)了單根電極既鉗制膜片電位又記錄單通道電流的突破。1981年Hamill和Neher等對該技術(shù)進行了改進,引進了膜片游離技術(shù)和全細胞記錄技術(shù),從而使該技術(shù)更趨完善,具有1pA的電流靈敏度、1μm的空間分辨率和10μs的時間分辨率。1983年10月,《Single-ChannelRecording》一書問世,奠定了膜片鉗技術(shù)的里程碑。Sakmann和Neher也因其杰出的工作和突出貢獻,榮獲1991年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎。
現(xiàn)在這塊全新的芯片被放置在了跟前置放大器大小類似的小盒子中,便成就了這款全球較小的膜片鉗放大器ePatch。體積大幅縮減只是一個表面,由于細胞電信號在被電極記錄到后,直接進入了芯片,以較短的路徑直接從模擬信號轉(zhuǎn)變成了數(shù)字信號,在很大程度上減少了環(huán)境及電路噪音對信號的影響,所以這款放大器便可以輕易獲取非常高質(zhì)量且穩(wěn)定的電生理信號。ePatch體積只為42*18*78mm,重量200g,整套設(shè)備的大小只相當于傳統(tǒng)膜片鉗設(shè)備的前置放大器,可以輕松地放入衣服口袋。用USB接口連接電腦后即可使用,無需額外電源,連接和使用都極為簡便。沒有了占地方的放大器,數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及相互連接的眾多電線,電源線等等,我們的膜片鉗又進一步減小了體積。膜電位Vm由高輸入阻抗的電壓跟隨器所測量。
膜片鉗技術(shù)的建立1.拋光及填充好玻璃管微電極,并將它固定在電極夾持器中。2.通過一個與電極夾持器連接的導(dǎo)管給微電極內(nèi)一個壓力,一直到電極浸入記錄槽溶液中。3.當電極浸沒在溶液中時給電極一個測定脈沖(命令電壓,如5-10ms,10mV)讀出電流,按照歐姆定律計算電阻。4.通過膜片鉗放大器的控制鍵將微電極前列的連接電位(junctionpotentials)調(diào)至零位,這種電位差是由于電極內(nèi)填充溶液與浸浴液不同離子成分的遷移造成的。5.用微操縱器將微電極前列在直視下靠近要記錄的細胞表面,并觀察電流的變化,直至阻抗達到1GΩ以上形成"干兆封接"6.調(diào)整靜息膜電位到期望的鉗位電壓的水平,使放大器從"搜尋"轉(zhuǎn)到"電壓鉗"時細胞不至于鉗位到零。離子通道是一種特殊的膜蛋白,它橫跨整個膜結(jié)構(gòu),是細胞內(nèi)部與部外聯(lián)系的橋梁和細胞內(nèi)外物質(zhì)交換的孔道。德國單電極膜片鉗蛋白質(zhì)分子水平
Neher創(chuàng)膜片鉗的膜電容檢測與碳纖電極電化學(xué)檢測聯(lián)合運用的技術(shù)。芬蘭單通道膜片鉗高阻抗封接
膜片鉗技術(shù)發(fā)展至今,已經(jīng)成為現(xiàn)代細胞電生理的常規(guī)方法,它不僅可以作為基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)研究的工具,而且直接或間接為臨床醫(yī)學(xué)研究服務(wù)。目前膜片鉗技術(shù)廣泛應(yīng)用于神經(jīng)(腦)科學(xué)、心血管科學(xué)、藥理學(xué)、細胞生物學(xué)、病理生理學(xué)、中醫(yī)藥學(xué)、植物細胞生理學(xué)、運動生理等多學(xué)科領(lǐng)域研究。隨著全自動膜片鉗技術(shù)(Automaticpatchclamptechnology)的出現(xiàn),膜片鉗技術(shù)因其具有的自動化、高通量特性,在藥物研發(fā)、藥物篩選中顯示了強勁的生命力。芬蘭單通道膜片鉗高阻抗封接
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