膜片鉗技術(shù)∶從一小片(約幾平方微米)膜獲取電子學(xué)方面信息的技術(shù),即保持跨膜電壓恒定——電壓鉗位,從而測(cè)量通過膜離子電流大小的技術(shù)。通過研究離子通道的離子流,從而了解離子運(yùn)輸、信號(hào)傳遞等信息?;驹恚豪秘?fù)反饋電子線路,將微電極前列所吸附的一個(gè)至幾個(gè)平方微米的細(xì)胞膜的電位固定在一定水平上,對(duì)通過通道的微小離子電流作動(dòng)態(tài)或靜態(tài)觀察,從而研究其功能。研究離子通道的一種電生理技術(shù),是施加負(fù)壓將玻璃微電極的前列(開口直徑約1μm)與細(xì)胞膜緊密接觸,形成高阻抗封接,可以精確記錄離子通道微小電流。能制備成細(xì)胞貼附、內(nèi)面朝外和外面朝內(nèi)三種單通道記錄方式,以及另一種記錄多通道的全細(xì)胞方式。膜片鉗技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小片膜的孤立和高阻封接的形成,由于高阻封接使背景噪聲水平**降低,相對(duì)地增寬了記錄頻帶范圍,提高了分辨率。另外,它還具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)絕緣性。而小片膜的孤立使對(duì)單個(gè)離子通道進(jìn)行研究成為可能。早期的研究多使用雙電極電壓鉗技術(shù)作細(xì)胞內(nèi)電活動(dòng)的記錄。德國膜片鉗專題
高阻封接問題的解決不僅改善了電流記錄性能,還隨之出現(xiàn)了研究通道電流的多種膜片鉗方式。根據(jù)不同的研究目的,可制成不同的膜片構(gòu)型。(1)細(xì)胞吸附膜片(cell-attachedpatch)將兩次拉制后經(jīng)加熱拋光的微管電極置于清潔的細(xì)胞膜表面上,形成高阻封接,在細(xì)胞膜表面隔離出一小片膜,既而通過微管電極對(duì)膜片進(jìn)行電壓鉗制,分辨測(cè)量膜電流,稱為細(xì)胞貼附膜片。由于不破壞細(xì)胞的完整性,這種方式又稱為細(xì)胞膜上的膜片記錄。此時(shí)跨膜電位由玻管固定電位和細(xì)胞電位決定。因此,為測(cè)定膜片兩側(cè)的電位,需測(cè)定細(xì)胞膜電位并從該電位減去玻管電位。從膜片的通道活動(dòng)看,這種形式的膜片是極穩(wěn)定的,因細(xì)胞骨架及有關(guān)代謝過程是完整的,所受的干擾小。日本膜片鉗細(xì)胞功能特性全自動(dòng)膜片鉗技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著膜片鉗技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)嶄新階段。
光遺傳學(xué)調(diào)控技術(shù)是近幾年正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)整合了光學(xué)、基因操作技術(shù)、電生理等多學(xué)科交叉的生物技術(shù)。NatureMethods雜志將此技術(shù)評(píng)為"Methodoftheyear2010"[19];美國麻省理工學(xué)院科技評(píng)述(MITTechnologyReview,2010)在其總結(jié)性文章"Theyearinbiomedicine"中指出:光遺傳學(xué)調(diào)控技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)迅速成為生命科學(xué),特別是神經(jīng)和心臟研究領(lǐng)域中熱門的研究方向之一。目前這一技術(shù)正在被全球幾百家從事心臟學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)工程研究的實(shí)驗(yàn)室使用,幫助科學(xué)家們深入理解大腦的功能,進(jìn)而為深刻認(rèn)識(shí)神經(jīng)、精神疾病、心血管疾病的發(fā)病機(jī)理并研發(fā)針對(duì)疾病干預(yù)和的新技術(shù)。
內(nèi)面向外膜片(inside-outpatch)高阻封接形成后,在將微管電極輕輕提起,使其與細(xì)胞分離,電極端形成密封小泡,在空氣中短暫暴露幾秒鐘后,小泡破裂再回到溶液中就得到“內(nèi)面向外”膜片。此時(shí)膜片兩側(cè)的膜電位由固定電位和電壓脈沖控制。浴槽電位是地電位,膜電位等于玻管電位的負(fù)值。如放大器的電流監(jiān)視器輸出是非反向的,則輸出將與膜電流(Im)的負(fù)值相等。外面向外膜片(out-sidepatch)高阻封接形成后,繼續(xù)以負(fù)壓抽吸,膜片破裂再將玻管慢慢地從細(xì)胞表面垂直地提起,斷端游離部分自行融合成脂質(zhì)雙層,此時(shí)高阻封接仍然存在。而膜外側(cè)面接觸浴槽液。這種膜片形式應(yīng)測(cè)膜片電阻,并消除漏電流和電容電流。整個(gè)過程要當(dāng)心是否形成囊泡。如果浴槽保持地電位水平,膜電位即與玻管電位相等。如放大器是非反向的,放大器的輸出將與Im值相等。神經(jīng)遞質(zhì)的釋放、腺體的分泌、肌肉的運(yùn)動(dòng)、學(xué)習(xí)和記憶。
資料分析:一般電學(xué)性質(zhì)∶通過I/V關(guān)系計(jì)算得到單通道電導(dǎo),觀察通道有無整流。通過離子選擇性、翻轉(zhuǎn)電位或其它通道的條件初步確定通道類型。通道動(dòng)力學(xué)分析∶開放時(shí)間、開放概率、關(guān)閉時(shí)間、通道的時(shí)間依賴性失活、開放與關(guān)閉類型(簇狀猝發(fā),Burst)樣開放與閃動(dòng)樣短暫關(guān)閉(flickering),化學(xué)門控性通道的開、關(guān)速率常數(shù)等數(shù)據(jù)。藥理學(xué)研究∶研究的藥物,阻斷劑、激動(dòng)劑或其它調(diào)制因素對(duì)通道活動(dòng)的影響情況。綜合分析得出結(jié)淪。由此形成了一門細(xì)胞學(xué)科—電生理學(xué),即是用電生理的方法來記錄和分析細(xì)胞產(chǎn)生電的大小和規(guī)律的科學(xué)。日本膜片鉗細(xì)胞功能特性
膜片鉗技術(shù)已成為研究離子通道的"金標(biāo)準(zhǔn)"。德國膜片鉗專題
把膜電位鉗位電壓調(diào)到-80--100mV,再用鉗位放大器的控制鍵把全細(xì)胞瞬態(tài)充電電流調(diào)定至零位(EPC-10的控制鍵稱為C-slow和C-series;Axopatch200標(biāo)為全細(xì)胞電容和系列電阻)。寫下細(xì)胞的電容值Cc和未補(bǔ)整的系列電阻值Rs,用于消除全細(xì)胞瞬態(tài)電流,計(jì)算鉗位的固定時(shí)間(即RsCc),然啟根據(jù)歐姆定律從測(cè)定脈沖電流的振幅算出細(xì)胞的電阻RC。緩慢調(diào)節(jié)Rs旋鈕注意測(cè)定脈沖反應(yīng)的變化,逐漸增加補(bǔ)整的比例。如果RS補(bǔ)整非常接近振蕩的閾值,RS或Cc的微細(xì)變化都會(huì)達(dá)到震蕩的閾值,產(chǎn)生電壓的振蕩而使細(xì)胞受損。因此應(yīng)當(dāng)在RS補(bǔ)整水平寫不穩(wěn)定閾值之間留有10%-20%的余地為安全。準(zhǔn)備資料收集和脈沖序列的測(cè)定。德國膜片鉗專題
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