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至幾個平方微米的細(xì)胞膜的電位固定在一定水平上,對通過通道的微小離子電流作動態(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單個離子通道進(jìn)行研究成為可能。膜片鉗80%的工夫在于刺備細(xì)胞。德國多通道膜片鉗離子電流
細(xì)胞是動物和人體的基本組成單元,細(xì)胞與細(xì)胞內(nèi)的通信,是依靠其膜上的離子通道進(jìn)行的,離子和離子通道是細(xì)胞興奮的基礎(chǔ),亦即產(chǎn)生生物電信號的基礎(chǔ),生物電信號通常用電學(xué)或電子學(xué)方法進(jìn)行測量。由此形成了一門細(xì)胞學(xué)科———電生理學(xué)(electrophysiology),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)。早期的研究多使用雙電極電壓鉗技術(shù)作細(xì)胞內(nèi)電活動的記錄?,F(xiàn)代膜片鉗技術(shù)是在電壓鉗技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。美國單通道膜片鉗技術(shù)脂質(zhì)層電導(dǎo)很低,由于雙分子層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),形成了細(xì)胞的膜電容,通道蛋白開閉狀況主要決定了膜電導(dǎo)的數(shù)值。
電壓鉗的原理∶用兩根前列直徑0.5um的電極插入細(xì)胞內(nèi),一根電極用作記錄電極以記錄跨膜電位,用另一根電極作為電流注入電極,以固定膜電位。從而實(shí)現(xiàn)固定膜電位的同時記錄膜電流。電位記錄電極引導(dǎo)的膜電位(Vm)輸入電壓鉗放大器的負(fù)輸入端,而人為控制的指令電位(Vc)輸入正輸入端,放大器的正負(fù)輸入端子等電位,向正輸入端子施加指令電位(Vc)時,經(jīng)過短路負(fù)端子可使膜片等電較,即Vm=Vc,從而達(dá)到電位鉗制的目的,并可維持一定的時間。Vc的不同變化將導(dǎo)致Vm的變化,從而引起細(xì)胞膜上電壓依賴性離子通道的開放,通道開放引起的離子流反過來又引起Vm的變化,致使Vm≠Vc,Vc與Vm的任何差值都會導(dǎo)致放大器有電壓輸出,將相反極性的電流注入細(xì)胞,以使Vc=Vm,注入電流的大小與跨膜離子流相等,但方向相反。因而注入的電流被認(rèn)為是標(biāo)本興奮時的跨膜電流值(通道電流)。
細(xì)胞是動物和人體的基本單元,細(xì)胞與細(xì)胞內(nèi)的通信是依靠其膜上的離子通道進(jìn)行的,離子和離子通道是細(xì)胞興奮的基礎(chǔ),亦即產(chǎn)生生物電信號的基礎(chǔ),生物電信號通常用電學(xué)或電子學(xué)方法進(jìn)行測量。由此形成了一門細(xì)胞學(xué)科--電生理學(xué)。膜片鉗技術(shù)已成為研究離子通道的黃金標(biāo)準(zhǔn)。電壓門控性離子通道:膜上通道蛋白的帶點(diǎn)集團(tuán)在膜電位改變時,在電場的作用下,重新分布導(dǎo)致通道的關(guān)閉,同時有電荷移動,稱為門控電流。配體門控離子通道:神經(jīng)遞質(zhì)(如乙酰膽堿)、ji素等與通道蛋白上的特定位點(diǎn)結(jié)合,引起蛋白構(gòu)像的改變,導(dǎo)致通道的打開。膜片鉗記錄技術(shù)與較早的單電極電壓鉗位相比進(jìn)步了很多,尤其在單離子通道鉗位記錄方面。
實(shí)驗(yàn)溶液浸溶細(xì)胞溶液和微電極玻璃管內(nèi)的填充液成分對全細(xì)胞膜片鉗記錄也是很重要的內(nèi)容,這關(guān)系到封接的容易程度、細(xì)胞存活狀態(tài)及膜電位的狀態(tài)等。在實(shí)驗(yàn)記錄過程中,尤其是神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn),需要迅速更換細(xì)胞浸溶液濃度以免受體敏感性降低(desensitization)或需要模擬快速突觸反應(yīng)的壽命。原則上細(xì)胞的浸溶液成分或玻璃管內(nèi)填充液成分應(yīng)該與細(xì)胞外或細(xì)胞內(nèi)間質(zhì)的成分相似,實(shí)際研究中,為了探討某些通道或電位特性,對這些實(shí)驗(yàn)溶液的成分或濃度會作必要調(diào)整,沒有哪種溶液是理想的。膜片鉗技術(shù)已成為研究離子通道的"金標(biāo)準(zhǔn)"。日本膜片鉗細(xì)胞功能特性
這是一種以記錄通過離子通道的離子電流來反映細(xì)胞膜單一的或多個的離子通道分子活動的技術(shù)。德國多通道膜片鉗離子電流
1976年德國馬普生物物理化學(xué)研究所Neher和Sakmann在青蛙肌細(xì)胞上用雙電極鉗制膜電位的同時,記錄到ACh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(fù)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(shí)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(jìn)行了改進(jìn),引進(jìn)了膜片游離技術(shù)和全細(xì)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(xiàn),榮獲1991年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎。德國多通道膜片鉗離子電流
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