德国双电极膜片钳

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。通过膜片钳放大器的控制键将微电极的连接电位（junction potentials）调至零位。德国双电极膜片钳

在膜片钳技术的发展过程中主要形成了五种记录模式，即细胞贴附模式（cell-attachedmode或loose-seal-cellattachedmode）、膜内面向外模式（inside-outmode）、膜外面向外模式（outside-outmode）、常规全细胞模式（conventionalwhole-cellmode）和穿孔膜片模式（perforatedpatchmode）。a.亚细胞水平：细胞贴附模式，可记录通过电极下膜片中通道蛋白的离子电流(红色虚线箭头)。在全细胞膜片钳中，膜片破裂，因此可以记录全细胞的宏观电流，它表示整个细胞的总和电流(蓝色虚线箭头)。b.细胞水平：来自神经元不同部分的全细胞同步记录可确定信号传递的方向。c.神经元网络水平：全细胞记录可以在一个连接神经元的小网络中进行。d.活物水平：可以在执行任务或自由走动的动物大脑中进行全细胞记录。德国高通量全自动膜片钳高阻抗封接微电极的制备膜片钳电极是用外径为1-2mm的毛细玻璃管拉制成的。

膜片钳技术是当前研究细胞膜电流及离子通道的蕞重要的技术。从技术层面来解释的话，膜片钳技术(patchclamp)是指利用钳制电压或者电流的方法(通常为钳制电压)来记录细胞膜离子通道电活动的微电极技术。膜片钳技术的原理为：使用一个一头尖一头粗的锥状玻璃管，管中设有微电极，管的前列直径约1.5~3.0μm，通过负压吸引使前列口与细胞膜形成千兆欧姆级的阻抗封接，前列口内的细胞膜区域与周围其他区域形成了电学分隔，然后人工钳制此片区域细胞膜的电位，即可达到对膜片上离子通道电流的监测与记录。

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

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，严重的可使神经元坏死。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。德国双电极膜片钳

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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-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。德国双电极膜片钳