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细胞是动物和人体的基本组成单元,细胞与细胞内的通信,是依靠其膜上的离子通道进行的,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。由此形成了一门细胞学科———电生理学(electrophysiology),即是用电生理的方法来记录和分析细胞产生电的大小和规律的科学。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。现代膜片钳技术是在电压钳技术的基础上发展起来的。膜片钳技术已成为研究离子通道的"金标准"。芬兰全自动膜片钳市场价
1980年,Sigworth、Hamill、Neher等在记录电极内施加负压吸引,得到了10~100GΩ的高阻封接(gigaseal),降低记录噪声,实现了单根电极既钳制膜电位又记录单通道电流。获1991年Nobel奖。1955年,Hodgkin和Keens应用电压钳(Voltageclap)在研究神经轴突膜对钾离子通透性时发现放射性钾跨轴突膜的运动很像是通过许多狭窄空洞的运动,并提出了"通道"的概念。1963年,描述电压门控动力学的Hodgkin-Hx上模型(简称H-H模型)荣获谱贝尔医学/生理学奖。1976年,Neher和Sakmann建立膜片钳(Patchclamp)按术。1983年10月,《Single-ChannelRecording》一书问世,奠定了膜片钳技术的里程碑。1991年,Neher和Sakmann的膜片铺技术荣获诺贝尔医学/生理学奖。德国单通道膜片钳厂家封接是膜片钳记录的关键步骤之一。
电压钳的原理∶用两根前列直径0.5um的电极插入细胞内,一根电极用作记录电极以记录跨膜电位,用另一根电极作为电流注入电极,以固定膜电位。从而实现固定膜电位的同时记录膜电流。电位记录电极引导的膜电位(Vm)输入电压钳放大器的负输入端,而人为控制的指令电位(Vc)输入正输入端,放大器的正负输入端子等电位,向正输入端子施加指令电位(Vc)时,经过短路负端子可使膜片等电较,即Vm=Vc,从而达到电位钳制的目的,并可维持一定的时间。Vc的不同变化将导致Vm的变化,从而引起细胞膜上电压依赖性离子通道的开放,通道开放引起的离子流反过来又引起Vm的变化,致使Vm≠Vc,Vc与Vm的任何差值都会导致放大器有电压输出,将相反极性的电流注入细胞,以使Vc=Vm,注入电流的大小与跨膜离子流相等,但方向相反。因而注入的电流被认为是标本兴奋时的跨膜电流值(通道电流)。
膜片钳的基本原理则是利用负反馈电子线路,将微电极前列所吸附的一个至几个平方微米的细胞膜的电位固定在一定水平上,对通过通道的微小离子电流作动态或静态观察,从而研究其功能。膜片钳技术实现膜电流固定的关键步骤是在玻璃微电极前列边缘与细胞膜之间形成高阻密封,其阻抗数值可达10~100GΩ(此密封电阻是指微电极内与细胞外液之间的电阻)。由于此阻值如此之高,故基本上可看成绝缘,其上之电流可看成零,形成高阻密封的力主要有氢健、范德华力、盐键等。此密封不仅电学上近乎绝缘,在机械上也是较牢固的。又由于玻璃微电极前列管径很小,其下膜面积只约1μm2,在这么小的面积上离子通道数量很少,一般只有一个或几个通道,经这一个或几个通道流出的离子数量相对于整个细胞来讲很少,可以忽略,也就是说电极下的离子电流对整个细胞的静息电位的影响可以忽略,那么,只要保持电极内电位不变,则电极下的一小片细胞膜两侧的电位差就不变,从而实现电位固定。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。
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。美国单电极膜片钳脑片
Neher创膜片钳的膜电容检测与碳纤电极电化学检测联合运用的技术。芬兰全自动膜片钳市场价
过去认为,膜片钳只能在培养细胞或酶解的细胞上进行,这样得到的细胞膜表面比较光滑,才能够形成高阻封接,但缺点是组织的正常三维结构被破坏,并且对神经中枢内突触特有的传递机能的研究无法展开。于是,一些学者建立了组织切片膜片钳技术(Slicepatch),就能在哺乳动物脑片制备上做全细胞记录。1992年,在脑片膜片钳技术上,美国Ferster实验室报道在在体猫的视皮层用膜片钳全细胞记录研究了视刺激诱发的兴奋性和***性突触后电位相互影响及节律性膜电位的变化规律。1993年,德国的Dodt和Sakmann合作,利用红外电视显微镜监视,使得膜片钳记录不但能够在神经元胞体及其树突上进行,而且可同时在这两个不同的部位作膜片钳记录。芬兰全自动膜片钳市场价
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