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。滔博生物TOP-Bright专注基于多种离子通道靶点的...

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。在细胞膜的电兴奋过程中，脂质层膜电容...

膜片钳放大器是整个实验系统中的主要，它可用来作单通道或全细胞记录，其工作模式可以是电压钳，也可以是电流钳。从原理来说，膜片钳放大器的探头电路即I-V变换器有两种基本结构形式，即电阻反馈式和电容反馈式，前者是一种典型的结构，后者因用反馈电容取代了反馈电阻，降低了噪声，所以特别适合较低噪声的单通道记录。由于供膜片钳实验的专门的计算机硬件及相应的软件程序的相继出现，使得膜片钳实验操作简便、效率提高。如与EPC-9型膜片钳放大器（内含ITC-16数据采集/接口卡）配套使用的软件PULSE/PULSEFIT，它既可产生刺激波形，控制数据采集，又可分析数据，同时具有用于膜电容监测的锁相放大器，多种软件功能...

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。 封接（s...

早在膜片钳诞生之前，20世纪50~60年代，Hodgkin与Hexley便发现并使用了电压钳技术，他们通过双电极电压钳在乌贼轴突上发现了动作电位的离子机制，并因此获得了诺贝尔生理医学奖。这也为后来膜片钳的诞生奠定了基础。于1976年，德国马克斯普朗克生物物理化学研究所的Neher和Sakmann第1次于青蛙的肌细胞上，用玻璃电极吸下了一小片细胞膜，记录导了皮安级的单通道离子电流，从而产生了膜片钳技术。1980年，耶鲁大学医学院Sigworth等人在记录电极内增加了负压吸引，实现了10-100GΩ的高阻抗封接，使得单电极可以同时实现钳制电位和记录单通道电流。1991年，Neher与Sakmann...

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。 这是一种...

与药物作用有关的心肌离子通道，心肌细胞通过各种离子通道对膜电位和动作电位稳态的维持而保持正常的功能。近年来，国外学者在人类心肌细胞离子通道特性的研究中取得了许多进展，使得心肌药理学实验由动物细胞模型向人心肌细胞成为可能。对离子通道生理与病理情况下作用机制的研究，通过对各种生理或病理情况下细胞膜某种离子通道特性的研究，了解该离子的生理意义及其在疾病过程中的作用机制。如对钙离子在脑缺血神经细胞损害中作用机制的研究表明，缺血性脑损害过程中，Ca2+介导现象起非常重要的作用，缺血缺氧使Ca2+通道开放，过多的Ca2+进入细胞内就出现Ca2+超载，导致神经元及细胞膜损害，膜转运功能障碍，严重的可使神经元...

膜片钳技术与其他技术的结合Neher等**将膜片钳技术与Fura2荧光钙测量技术相结合，同时进行细胞内荧光强度、细胞膜离子通道电流、细胞膜电容等多项指标变化的快速交替测量，从而获得同一事件过程中各因素的各自变化，进而分析这些变化之间的关系。Neher将能够光解钙离子的钙螯合物引入膜片钳技术，进而可以定量研究钙离子浓度与分泌速率的关系以及相对较大的分泌速率。他还发明了膜片钳的膜电容检测与碳纤维电极的电化学检测相结合的技术。然后***将光电联合检测技术和碳纤维电极电化学检测技术相结合。这种结合既能研究分泌机制，又能鉴定分泌物质，弥补了各单一方法的不足。Eberwine于1991年***将膜片钳技术...

膜片钳技术的发展∶全自动膜片钳技术（Automated patch clamp technique）的出现标志着膜片钳技术已经发展到了一个崭新阶段，从这个意义上说，前面所讲的膜片钳技术我们称之为传统膜片钳技术（ Traditional patch clamp technique），传统膜片钳技术每次只能记录一个细胞（或一对细胞），对实验人员来说是一项耗时耗力的工作，不适合在药物开发初期和中期进行大量化合物的筛选，也不适合需要记录火量细胞的基础实验研究。全自动膜片钳技术的出现在很大程度上解决了这些问题，它不仅通量高，一次能记录几个甚至几十个细胞，而且从找细胞、形成封接、破膜等整个实验操作实现了自...

对药物作用机制的研究，在通道电流记录中，可分别于不同时间、不同部位（膜内或膜外）施加各种浓度的药物，研究它们对通道功能的可能影响，了解那些选择性作用于通道的药物影响人和动物生理功能的分子机理。这是目前膜片钳技术应用普遍的领域，既有对西药药物机制的探讨，也普遍用在重要药理的研究上。如开丽等报道细胞贴附式膜片钳单通道记录法观测到人参二醇组皂苷可控制正常和“缺血”诱导的大鼠大脑皮层神经元L-型钙通道的开放，从而减少钙内流，对缺血细胞可能有保护作用。陈龙等报道采用细胞贴附式单通道记录法发现乌头碱对培养的Wistar大鼠心室肌细胞L-型钙通道有阻滞作用。小片膜的孤立使对单个离子通道进行研究成为可能。进口...

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Ne...

膜片钳技术发展历史：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-Cha...

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。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。芬兰双电极膜片钳产品介绍膜片钳技术实现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声水平降低，相对地增宽了记录频带...

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&#183;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&lt;离子通道药理学&gt;和Hill的&lt;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（patchcla...

膜片钳技术是神经科学领域非常重要的一项技术，1976年由国马普生物物理研究所Neher和Sakmann发明，从而在活细胞上记录到单个离子通道的电流。近半个世纪来，膜片钳技术已经成为神经科学领域较常用也是较实用的技术之一，具有极大的精确性和灵活性，能够揭示离子通道，单细胞突触反应，及神经环路连接等多层次的电生理特性。做过膜片钳的人都知道，膜片钳的信号采集设备一般由前置放大器，放大器，模数/数模转换器等构成，神经元电信号先通过前置放大器（headstage）初步放大，后传输入放大器进一步放大，再传入模数转换器转化为数字信号，后被计算机采集。下图显示的是我们较常使用的AXON和HEKA膜片钳的一个信...

膜片钳放大器的工作模式;（1）电压钳模式∶在钳制细胞膜电位的基础上改变膜电位，记录离子通道电流的变化，记录的是诸如通道电流;EPSC;IPSC等电流信号。是膜片钳的基本工作模式.（2）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。记录的是诸如动作电位，EPSP;IPSP等电压信号。膜片钳技术实现膜电位固定的关键是在玻璃微电极前列边缘与细胞膜之间形成高阻（10GΩ）密封，使电极前列开口处相接的细胞膜片与周围环境在电学上隔离，并通过外加命令电压钳制膜电位。在细胞膜的电学模型中，膜电容和膜电导构成了一个并联回路。进口可升级膜片钳离子电流膜片钳技术发展历史：1976年德国马普生物物理化学研...

在形成高阻抗封接后，记录实验结果之前，通常要根据实验的要求进行参数补偿，以期获得符合实际的结果。需要注意的是，应恰当设置放大器的带宽，例如10kHz，这样在电流监测端将观察不到超越此频带以外的无用信息。膜片钳实验难度大、技术要求高，要掌握有关技术和方法虽不是很困难的事，但要从一大批的实验数据中，经过处理和分析，得出有意义、有价值的结果和结论，就显得不那么容易，有许多需要注意和考虑的问题，包括减少噪音，避免电极前端的污染，提高封接成功率，具体实验过程中还需要考虑如何选取记录模式，为记录特定离子电流如何选择电极内、外液，如何选择阻断剂、激动剂，如何进行正确的数据采集等许多更为复杂的问题，还需在科研...

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...

膜片钳技术实现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声水平降低，相对地增宽了记录频带范围，提高了分辨率。另外，它还具有良好的机械稳定性和化学绝缘性。而小片膜的孤立使对单个离子通道进行研究成为可能。单通道电流1.典型的单通道电流呈一种振幅相同而持续时间不等的脉冲样变化。他有两个电导水平，即O和1，分别对应通道的关闭和开效状态。2.有的矩形脉冲簇状发放时，通道电流不在同一水平，可以明显观察到不同数目离子通道所形成的电流台阶，从而可推断出被测膜片的通道数目。3.有的通道可记录到圆滑型和方波形两种形式。4.有些通道开放活动是持续开放，中间被闪动样的关闭所中断，形成burst开放。有些通道...

对单细胞形态与功能关系的研究，将膜片钳技术与单细胞逆转录多聚酶链是反应技术结合，在全细胞膜片钳记录下，将单细胞内容物或整个细胞（包括细胞膜）吸入电极中，将细胞内存在的各种mRNA全部快速逆转录成cDNA，再经常规PCR扩增及待检的特异mRNA的检测，借此可对形态相似而电活动不同的结果做出分子水平的解释或为单细胞逆转录多聚酶链式反应提供标本，为同一结构中形态非常相似但功能不同的事实提供分子水平的解释。目前国际上掌握此技术的实验室较少，我国北京大学神经科学研究所于1994年在国内率先开展。在膜电位改变时，在电场的作用下，重新分布导致通道的关闭，同时有电荷移动，称为门控电流。日本可升级膜片钳专题细胞...

对药物作用机制的研究，在通道电流记录中，可分别于不同时间、不同部位（膜内或膜外）施加各种浓度的药物，研究它们对通道功能的可能影响，了解那些选择性作用于通道的药物影响人和动物生理功能的分子机理。这是目前膜片钳技术应用普遍的领域，既有对西药药物机制的探讨，也普遍用在重要药理的研究上。如开丽等报道细胞贴附式膜片钳单通道记录法观测到人参二醇组皂苷可控制正常和“缺血”诱导的大鼠大脑皮层神经元L-型钙通道的开放，从而减少钙内流，对缺血细胞可能有保护作用。陈龙等报道采用细胞贴附式单通道记录法发现乌头碱对培养的Wistar大鼠心室肌细胞L-型钙通道有阻滞作用。膜片钳技术原理膜片钳技术是用玻璃微电极接触细胞，形...

这一设计模式似乎几十年都没有改变过，作为一个有着近20年膜片钳经验的科研工作者，记得自己进入实验室次看到的放大器就差不多是这样，也不觉得还会有什么变化。直到笔者在19年访问欧洲的一个同样做电生理的实验室的时候，发现了这样一款独特的放大器，让笔者眼前一亮，这款放大器从前置放大器出来的线竟然就直接连接在了电脑上，当笔者问他们放大器和数模呢？他们说，你看到的就是全部了，所以的部件都包含在了这个前置放大器中。在细胞膜的电兴奋过程中，脂质层膜电容的反应是被动的，其电流电压曲线是线性的。全自动膜片钳报价离子选择性（selectivity）（大小和电荷）∶某一种离子只能通过与其相应的通道跨膜扩散（安静∶K＞...

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-ChannelRecord...

离子通道是一种特殊的膜蛋白，它横跨整个膜结构，是细胞内部与部外联系的桥梁和细胞内外物质交换的孔道，当通道开放时。细胞内外的一些无机离子如Na，kCa等带电离子可经通道顺浓度梯度或电位梯度进行跨膜扩散，从而形成这些带电离子在膜内外的不同分布态势，这种态势和在不同状态下的动态变化是可兴奋细胞静息电位和动作电的基础。这些无机离子通过离子通道的进围所产生的电活动是生命活动的基础，只有在此基础上才可能有腺体分泌、肌肉收缩、基因表达、新陈代谢等生命活动。离子通道结构和功能障碍决定了许多疾病的发生和发展。因此，了解离子通道的结构、功能以及结构与功能的关系对于从分子水平深入探讨某些疾病的病理生理机制、发现特异...

离子选择性（selectivity）（大小和电荷）∶某一种离子只能通过与其相应的通道跨膜扩散（安静∶K＞Na100倍、兴奋;Na＞K10-20倍）;各离子通道在不同状态下，对相应离子的通透性不同。门控特性（Gating）∶失活状态不仅是通道处于关闭状态，而且只有在经过一个额外刺激使通道从失活关闭状态进入静息关闭状态后，通道才能再度接受外界刺激而***开放。离子通道的功能(FunctionoflonChannels)1.产生细胞生物电现象，与细胞兴奋性相关。2.神经递质的释放、腺体的分泌、肌肉的运动、学习和记忆3.维持细胞正常形态和功能完整性膜离子通道的基因变异及功能障碍与许多疾病有关，某些先天...

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，...

膜片钳技术实现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声水平降低，相对地增宽了记录频带范围，提高了分辨率。另外，它还具有良好的机械稳定性和化学绝缘性。而小片膜的孤立使对单个离子通道进行研究成为可能。单通道电流1.典型的单通道电流呈一种振幅相同而持续时间不等的脉冲样变化。他有两个电导水平，即O和1，分别对应通道的关闭和开效状态。2.有的矩形脉冲簇状发放时，通道电流不在同一水平，可以明显观察到不同数目离子通道所形成的电流台阶，从而可推断出被测膜片的通道数目。3.有的通道可记录到圆滑型和方波形两种形式。4.有些通道开放活动是持续开放，中间被闪动样的关闭所中断，形成burst开放。有些通道...

高阻封接技术还明显降低了电流记录的背景噪声，从而戏剧性地提高了时间、空间及电流分辨率，如时间分辨率可达10μs、空间分辨率可达1平方微米及电流分辨率可达10-12A。影响电流记录分辨率的背景噪声除了来自于膜片钳放大器本身外，较主要还是信号源的热噪声。信号源如同一个简单的电阻，其热噪声为σn=4Kt△f/R式中σn为电流的均方差根，K为波尔兹曼常数，t为温度，△f为测量带宽，R为电阻值。可见，要得到低噪声的电流记录，信号源的内阻必需非常高。如在1kHz带宽，10%精度的条件下，记录1pA的电流，信号源内阻应为2GΩ以上。电压钳技术只能测量内阻通常达100kΩ～50MΩ的大细胞的电流，从而不能用常...

膜片钳技术∶从一小片（约几平方微米）膜获取电子学方面信息的技术，即保持跨膜电压恒定——电压钳位，从而测量通过膜离子电流大小的技术。通过研究离子通道的离子流，从而了解离子运输、信号传递等信息。基本原理：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。研究离子通道的一种电生理技术，是施加负压将玻璃微电极的前列（开口直径约1μm）与细胞膜紧密接触，形成高阻抗封接，可以精确记录离子通道微小电流。能制备成细胞贴附、内面朝外和外面朝内三种单通道记录方式，以及另一种记录多通道的全细胞方式。膜片钳技术实现了小片...

把膜电位钳位电压调到-80--100mV，再用钳位放大器的控制键把全细胞瞬态充电电流调定至零位（EPC-10的控制键称为C-slow和C-series;Axopatch200标为全细胞电容和系列电阻）。写下细胞的电容值Cc和未补整的系列电阻值Rs，用于消除全细胞瞬态电流，计算钳位的固定时间（即RsCc），然启根据欧姆定律从测定脉冲电流的振幅算出细胞的电阻RC。缓慢调节Rs旋钮注意测定脉冲反应的变化，逐渐增加补整的比例。如果RS补整非常接近振荡的阈值，RS或Cc的微细变化都会达到震荡的阈值，产生电压的振荡而使细胞受损。因此应当在RS补整水平写不稳定阈值之间留有10%-20%的余地为安全。准备资料...