芬兰高通量全自动膜片钳离子通道

1937年，Hodgkin和Huxley在乌贼巨大神经轴突细胞内实现细胞内电记录，获1963年Nobel奖1946年，凌宁和Gerard创造拉制出前列直径小于1μm的玻璃微电极，并记录了骨骼肌的电活动。玻璃微电极的应用使的电生理研究进行了重命性的变化。Voltageclamp（电压钳技术）由Cole和Marmont发明，并很快由Hodgkin和Huxley完善，真正开始了定量研究，建立了H一H模型（膜离子学说），是近代兴奋学说的基石。1948年，Katz利用细胞内微电极技术记录到了终板电位;1969年，又证实N—M接触后的Ach以"量子式"释放，获1976年Nobel奖。1976年，德国的Neher和Sakmann发明PatchClamp（膜片钳）。并在蛙横纹肌终板部位记录到乙酰胆碱引起的通道电流。屯流钳素向细胞内注入刺激电流，记录膜电位对刺激电流的反应。芬兰高通量全自动膜片钳离子通道

1976年德国马普生物物理化学研究所Neher和Sakmann在青蛙肌细胞上用双电极钳制膜电位的同时，记录到ACh启动的单通道离子电流，从而产生了膜片钳技术。1980年Sigworth等在记录电极内施加5-50cmH2O的负压吸引，得到10-100GΩ的高阻封接（Giga-seal），明显降低了记录时的噪声实现了单根电极既钳制膜片电位又记录单通道电流的突破。1981年Hamill和Neher等对该技术进行了改进，引进了膜片游离技术和全细胞记录技术，从而使该技术更趋完善，具有1pA的电流灵敏度、1μm的空间分辨率和10μs的时间分辨率。1983年10月，《Single-ChannelRecording》一书问世，奠定了膜片钳技术的里程碑。Sakmann和Neher也因其杰出的工作和突出贡献，荣获1991年诺贝尔医学和生理学奖。美国膜片钳系统膜片钳技术实现了小片膜的孤立和高阻封接的形成。

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。

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）。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。

离子通道结构研究∶目前，绝大多数离子通道的一级结构得到了阐明但根本的还是要搞清楚各种离子通道的三维结构，在这方面，美国的二位科学家彼得·阿格雷和罗德里克麦金农做出了一些开创性的工作，他们到用X光绕射方法得到了K离子通道的三维结构，二位因此获得2003年诺贝系化学奖。有关离子通道结构不是本PPT的重点，可参考杨宝峰的<离子通道药理学>和Hill的<lonicChannelsOfExcitableMembranes》。对离子通道功能的研究，主要采用记录离子通道电流来间接反映离子通道功能，目前有如下两种技术：电压钳技术（VoltageClamp），膜片钳（patchclamp）技术。Neher将膜片钳技术与Fura 2 荧光测钙技术结合。进口脑片膜片钳电流钳制

全自动膜片钳技术采用的标本必须是悬浮细胞，像脑片这类标本无法采用。芬兰高通量全自动膜片钳离子通道

现在这块全新的芯片被放置在了跟前置放大器大小类似的小盒子中，便成就了这款全球较小的膜片钳放大器ePatch。体积大幅缩减只是一个表面，由于细胞电信号在被电极记录到后，直接进入了芯片，以较短的路径直接从模拟信号转变成了数字信号，在很大程度上减少了环境及电路噪音对信号的影响，所以这款放大器便可以轻易获取非常高质量且稳定的电生理信号。ePatch体积只为42*18*78mm，重量200g，整套设备的大小只相当于传统膜片钳设备的前置放大器，可以轻松地放入衣服口袋。用USB接口连接电脑后即可使用，无需额外电源，连接和使用都极为简便。没有了占地方的放大器，数模转换器以及相互连接的众多电线，电源线等等，我们的膜片钳又进一步减小了体积。芬兰高通量全自动膜片钳离子通道

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