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1976年德国马普生物物理化学研究所Neher和Sakmann在青蛙肌细胞上记录记录到AChjihuo的单通道离子电流1980年Sigworth等用负压吸引,得到10-100GΩ的高阻封接(Giga-sea1),降低了记录时的噪声1981年Hamill和Neher等引进了膜片游离技术和全细胞记录技术1983年10月,《Single-ChannelRecording》一书问世,奠定了膜片钳技术的里程碑。膜片钳技术原理膜片钳技术是用玻璃微电极接触细胞,形成吉欧姆(GΩ)阻抗,使得与电极前列开口处相接的细胞膜的膜片与周围在电学上绝缘,在此基础上固定电位,对此膜片上的离子通道的离子电流(pA级)进行监测记录的方法。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。日本全自动膜片钳蛋白质分子水平
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。德国多通道膜片钳单细胞膜片钳技术实现了小片膜的孤立和高阻封接的形成。
高阻封接问题的解决不仅改善了电流记录性能,还随之出现了研究通道电流的多种膜片钳方式。根据不同的研究目的,可制成不同的膜片构型。(1)细胞吸附膜片(cell-attachedpatch)将两次拉制后经加热抛光的微管电极置于清洁的细胞膜表面上,形成高阻封接,在细胞膜表面隔离出一小片膜,既而通过微管电极对膜片进行电压钳制,分辨测量膜电流,称为细胞贴附膜片。由于不破坏细胞的完整性,这种方式又称为细胞膜上的膜片记录。此时跨膜电位由玻管固定电位和细胞电位决定。因此,为测定膜片两侧的电位,需测定细胞膜电位并从该电位减去玻管电位。从膜片的通道活动看,这种形式的膜片是极稳定的,因细胞骨架及有关代谢过程是完整的,所受的干扰小。
膜片钳技术原理:膜片钳技术是用玻璃微电极吸管把只含1-3个离子通道、面积为几个平方微米的细胞膜通过负压吸引封接起来(见右图),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,因此,此片膜内开放所产生的电流流进玻璃吸管,用一个极为敏感的电流监视器(膜片钳放大器)测量此电流强度,就单一离子通道电流膜片钳技术的建立,对生物学科学特别是神经科学是一资有重大意义的变革。这是一种以记录通过离子通道的离子电流来反映细胞膜单一的(或多个的离子通道分子活动的技术。些技术的出现自然将细胞水平和分子水平的生理学研究联系在一起,同时又将神经科学的不同分野必然地融汇在一起,改变了既往各个分野互不联系、互不渗透,阻碍人们较全认识能力的弊端。这一技术的发现和基因克隆技术并架齐驱,给生命科学研究带来了巨大的前进动力。不同的全自动膜片钳技术所采用的原理也不完全相同。
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。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。日本全自动膜片钳蛋白质分子水平
Neher将膜片钳技术与Fura 2 荧光测钙技术结合。日本全自动膜片钳蛋白质分子水平
20世纪初由Cole发明,Hodgkin和Huxleyw完善,目的是为了证明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办法,于是就用膜对某种离子的电导来**该种离子的通透性。
为了弄清膜电导变化的机制和离子通道的存在,也为了克服电压钳的缺点Erwin和Bert在电压钳的基础上发明了膜片钳,并利用该技术***在蛙肌膜上记录到PA级的乙酰胆碱激动的单通道电流,***证明了离子通道的存在。并证明在完整细胞膜上记录到膜电流是许多单通道电流总和的结果。这一技术被誉为与分子克隆技术并驾齐驱的划时代的伟大发明。二人因此获得诺贝尔生理或医学奖。 日本全自动膜片钳蛋白质分子水平
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