美國全自動膜片鉗系統(tǒng)

膜片鉗技術(shù)的發(fā)展∶全自動膜片鉗技術(shù)（Automated patch clamp technique）的出現(xiàn)標(biāo)志著膜片鉗技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個嶄新階段，從這個意義上說，前面所講的膜片鉗技術(shù)我們稱之為傳統(tǒng)膜片鉗技術(shù)（ Traditional patch clamp technique），傳統(tǒng)膜片鉗技術(shù)每次只能記錄一個細(xì)胞（或一對細(xì)胞），對實驗人員來說是一項耗時耗力的工作，不適合在藥物開發(fā)初期和中期進(jìn)行大量化合物的篩選，也不適合需要記錄火量細(xì)胞的基礎(chǔ)實驗研究。全自動膜片鉗技術(shù)的出現(xiàn)在很大程度上解決了這些問題，它不僅通量高，一次能記錄幾個甚至幾十個細(xì)胞，而且從找細(xì)胞、形成封接、破膜等整個實驗操作實現(xiàn)了自動化，免除了這些操作的復(fù)雜與困難。這兩個優(yōu)點使得膜片鉗技術(shù)的工作效率提高了!全自動膜片鉗技術(shù)采用的標(biāo)本必須是懸浮細(xì)胞，像腦片這類標(biāo)本無法采用。此外，全自動膜片鉗技術(shù)只能進(jìn)行全細(xì)胞記錄模式、穿孔膜片鉗記錄模式以及細(xì)胞貼附式單通道記錄模式，而不能進(jìn)行其他模式的記錄。Eberwine等于1991年首先將膜片鉗技術(shù)與RT-PCR技術(shù)結(jié)合起來運用。美國全自動膜片鉗系統(tǒng)

膜片鉗在通道研究中的重要作用用膜片鉗技術(shù)可以直接觀察和分辨單離子通道電流及其開閉時程、區(qū)分離子通道的離子選擇性、同時可發(fā)現(xiàn)新的離子通道及亞型，并能在記錄單細(xì)胞電流和全細(xì)胞電流的基礎(chǔ)上進(jìn)一步計算出細(xì)胞膜上的通道數(shù)和開放概率，還可以用以研究某些胞內(nèi)或胞外物質(zhì)對離子通道開閉及通道電流的影響等。同時用于研究細(xì)胞信號的跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞分泌機(jī)制。結(jié)合分子克隆和定點突變技術(shù)，膜片鉗技術(shù)可用于離子通道分子結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能關(guān)系的研究。利用膜片鉗技術(shù)還可以用于藥物在其靶受體上作用位點的分析。如神經(jīng)元煙堿受體為配體門控性離子通道，膜片鉗全細(xì)胞記錄技術(shù)通過記錄煙堿誘發(fā)電流，可直觀地反映出神經(jīng)元煙堿受體活動的全過程，包括受體與其激動劑和拮抗劑的親和力，離子通道開放、關(guān)閉的動力學(xué)特征及受體的失敏等活動。使用膜片鉗全細(xì)胞記錄技術(shù)觀察拮抗劑對煙堿受體激動劑量效曲線的影響，來確定其作用的動力學(xué)特征。然后根據(jù)分析拮抗劑對受體失敏的影響，拮抗劑的作用是否有電壓依賴性、使用依賴性等特點，可從功能上區(qū)分拮抗劑在煙堿受體上的不同作用位點，即判斷拮抗劑是作用在受體的激動劑識別位點，離子通道抑或是其它的變構(gòu)位點上。德國全細(xì)胞膜片鉗研究微電極的制備膜片鉗電極是用外徑為1-2mm的毛細(xì)玻璃管拉制成的。

膜片鉗技術(shù)是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域非常重要的一項技術(shù)，1976年由國馬普生物物理研究所Neher和Sakmann發(fā)明，從而在活細(xì)胞上記錄到單個離子通道的電流。近半個世紀(jì)來，膜片鉗技術(shù)已經(jīng)成為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域較常用也是較實用的技術(shù)之一，具有極大的精確性和靈活性，能夠揭示離子通道，單細(xì)胞突觸反應(yīng)，及神經(jīng)環(huán)路連接等多層次的電生理特性。做過膜片鉗的人都知道，膜片鉗的信號采集設(shè)備一般由前置放大器，放大器，模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成，神經(jīng)元電信號先通過前置放大器（headstage）初步放大，后傳輸入放大器進(jìn)一步放大，再傳入模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，后被計算機(jī)采集。下圖顯示的是我們較常使用的AXON和HEKA膜片鉗的一個信號傳輸路徑。

高阻封接技術(shù)還明顯降低了電流記錄的背景噪聲，從而戲劇性地提高了時間、空間及電流分辨率，如時間分辨率可達(dá)10μs、空間分辨率可達(dá)1平方微米及電流分辨率可達(dá)10-12A。影響電流記錄分辨率的背景噪聲除了來自于膜片鉗放大器本身外，較主要還是信號源的熱噪聲。信號源如同一個簡單的電阻，其熱噪聲為σn=4Kt△f/R式中σn為電流的均方差根，K為波爾茲曼常數(shù)，t為溫度，△f為測量帶寬，R為電阻值?？梢姡玫降驮肼暤碾娏饔涗?，信號源的內(nèi)阻必需非常高。如在1kHz帶寬，10%精度的條件下，記錄1pA的電流，信號源內(nèi)阻應(yīng)為2GΩ以上。電壓鉗技術(shù)只能測量內(nèi)阻通常達(dá)100kΩ～50MΩ的大細(xì)胞的電流，從而不能用常規(guī)的技術(shù)和制備達(dá)到所要求的分辨率。在膜電位改變時，在電場的作用下，重新分布導(dǎo)致通道的關(guān)閉，同時有電荷移動，稱為門控電流。

膜片鉗放大器的工作模式;（1）電壓鉗模式∶在鉗制細(xì)胞膜電位的基礎(chǔ)上改變膜電位，記錄離子通道電流的變化，記錄的是諸如通道電流;EPSC;IPSC等電流信號。是膜片鉗的基本工作模式.（2）屯流鉗素向細(xì)胞內(nèi)注入刺激電流，記錄膜電位對刺激電流的反應(yīng)。記錄的是諸如動作電位，EPSP;IPSP等電壓信號。膜片鉗技術(shù)實現(xiàn)膜電位固定的關(guān)鍵是在玻璃微電極前列邊緣與細(xì)胞膜之間形成高阻（10GΩ）密封，使電極前列開口處相接的細(xì)胞膜片與周圍環(huán)境在電學(xué)上隔離，并通過外加命令電壓鉗制膜電位。小片膜的孤立使對單個離子通道進(jìn)行研究成為可能。德國全細(xì)胞膜片鉗研究

膜片鉗技術(shù)是用玻璃微電極吸管把只含1-3個離子通道、面積為幾個平方微米的細(xì)胞膜通過負(fù)壓吸引封接起來。美國全自動膜片鉗系統(tǒng)

在大多數(shù)膜片鉗實驗，要求所有實驗儀器及設(shè)備均具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性，以使微電極與細(xì)胞膜之間的相對運動盡可能小。防震工作臺放置倒置顯微鏡和與之固定連接的微操縱器，其他設(shè)備置于臺外。屏蔽罩由銅絲網(wǎng)制成，接地以防止周圍環(huán)境的雜散電場對膜片鉗放大器的探頭電路的干擾。儀器設(shè)備架要靠近工作臺，便于測量儀器與光學(xué)儀器配接。倒置顯微鏡是膜片鉗實驗系統(tǒng)的主要光學(xué)部件，它不僅具有較好的視覺效果，便于將玻璃電極與細(xì)胞的頂部接觸，而且是借助移動物鏡來實現(xiàn)聚焦，具有較好的機(jī)械穩(wěn)定性。視頻監(jiān)視器主要是用來監(jiān)視實驗過程中的操作，特別是能將封接參數(shù)（如封接阻抗）與細(xì)胞的形態(tài)對應(yīng)，以實現(xiàn)良好的封接。美國全自動膜片鉗系統(tǒng)

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