膜片鉗的發(fā)展與應(yīng)用

1、膜片鉗技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用崔夢夢（生命科學(xué)學(xué)院1241410026）摘要摘要：膜片鉗技術(shù)是在電壓鉗技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，該技術(shù)的核心是能夠記錄單一離子通道的電流。膜片鉗可以測量到0.06pA的電流，它具有1um的空間分辨率和10us的時間分辨率。作為先進的細(xì)胞電生理技術(shù)，膜片鉗一直被奉為研究離子通道的“金標(biāo)準(zhǔn)”。應(yīng)用膜片鉗技術(shù)可以證實細(xì)胞膜上離子通道的存在并能對其電生理特性、分子結(jié)構(gòu)、藥物作用機稍等進行深入的研究。此外，將膜片鉗技術(shù)與其他

2、一些先進的技術(shù)結(jié)合，使其在藥理學(xué)、病理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、腦科學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)等生物科學(xué)方面，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：膜片鉗；離子通道；發(fā)展與應(yīng)用關(guān)鍵詞：膜片鉗；離子通道；發(fā)展與應(yīng)用在細(xì)胞膜上存在有許多的離子通道，這些離子通道是細(xì)胞興奮性的基礎(chǔ)，對細(xì)胞內(nèi)以及細(xì)胞之間的信息傳遞起著非常重要的作用。為探究離子通道的功能和結(jié)構(gòu)，許多電生理技術(shù)被發(fā)明創(chuàng)造。英國學(xué)者Huxley和Katz最早應(yīng)用電壓鉗來研究細(xì)胞膜上離子通道的電流變化，

3、但由于該技術(shù)鉗制的細(xì)胞膜面積很大，包含著大量隨機開放和關(guān)閉著的離子通道，因而不能測定單一離子通道電流。所以在1976年德國神經(jīng)生物學(xué)家ErwinNeher和BertSakmann建立起一種新的技術(shù)，即膜片鉗技術(shù)，并且逐漸取代了電壓鉗技術(shù)。隨著膜片鉗技術(shù)的不斷完善，自1981年以來該技術(shù)已經(jīng)在不同動物的肝、脾、胃腸、心肌、骨骼肌、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌等各類細(xì)胞上應(yīng)用并取得了研究成果。膜片鉗技術(shù)點燃了細(xì)胞和分子水平的生理學(xué)研究的革命之火，給生命

4、科學(xué)研究帶來了巨大的前進動力。一、膜片鉗技術(shù)的基本原理一、膜片鉗技術(shù)的基本原理膜片鉗技術(shù)是利用玻璃微電極尖端經(jīng)拋光后貼附于神經(jīng)元膜上，與玻璃微電極尖端相接的膜僅含1—3個離子通道，然后通過負(fù)壓吸引將這片膜與周圍的膜實行高阻封接，因此在電極尖端覆蓋下的那片膜，在電學(xué)上已于膜的其他部分相互分隔。電極尖端下的膜通道開放所產(chǎn)生的電流流進玻璃微電極吸管，通過一極其敏感的膜片鉗放大器，就可測量得到單一離子通道電流。電極尖端的直徑一般可達0.5um，

5、它與膜的高阻封接可達到10億歐，因而極大提高了膜片鉗技術(shù)的可靠性和靈敏度。二、膜片鉗技術(shù)的改進與新進展二、膜片鉗技術(shù)的改進與新進展（一）穿孔膜片鉗技術(shù)1988年Hn等對傳統(tǒng)全細(xì)胞記錄進行了改進，建立了穿孔膜片鉗技術(shù)。即利用某些抗生素具有在生物膜上形成通透性孔道的性質(zhì)，將這類抗生素充灌在電極液中，在高阻封接形成之后自發(fā)形成全細(xì)胞記錄模式。該技術(shù)中，抗生素形成孔道的有效半徑為0.4—0.8nm，可以選擇性地通透Na、K、Li、Cs、Cl等一

6、價離子，使細(xì)胞內(nèi)環(huán)境相對穩(wěn)心肌細(xì)胞的電活動控制的，而心肌電活動的基礎(chǔ)便是心肌細(xì)胞的各種離子電流的變化。因此膜片鉗技術(shù)可以用來分析心肌靜息電位及其自發(fā)去極化的機制，對鈉、鉀、鈣和乙酰膽堿通道的調(diào)控機制進行更深入的了解。此外，膜片鉗技術(shù)也可以用來分析心臟在病理狀態(tài)下引起通道活性和受體功能改變，從而可以從根本上對各種心臟病進行診斷和治療。（二）在血管研究中的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)血管平滑肌細(xì)胞的凋亡與K通道活動增加有關(guān)，在動脈粥樣硬化發(fā)生與發(fā)展過程中，

7、電導(dǎo)型鈣激活鉀通道起著重要的功能作用。某些藥物影響動脈粥樣硬化血管平滑肌細(xì)胞離子通道而發(fā)揮作用。膜片鉗技術(shù)給動脈粥樣硬化發(fā)病機理研究帶來了新的亮點。Wiecha等應(yīng)用膜片鉗技術(shù)對冠狀A(yù)s斑塊平滑肌細(xì)胞與正常冠狀動脈平滑肌細(xì)胞的特性進行了比較研究。結(jié)果表明冠狀A(yù)s斑塊平滑肌細(xì)胞BKCa比正常冠狀動脈平滑肌細(xì)胞BKCa有較高的通道活性。這一發(fā)現(xiàn)意味著BKCa通道在動脈粥樣硬化的發(fā)生與發(fā)展中起著重要的功能作用。(三)在神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用應(yīng)用膜片

8、鉗技術(shù)可以研究神經(jīng)信號的產(chǎn)生和傳導(dǎo)。由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的脆弱性和難以接近性，研究腦的網(wǎng)絡(luò)特性及其復(fù)雜的調(diào)控功能是十分困難的。在具有簡單網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的離體腦片上應(yīng)用膜片鉗技術(shù)，為這一方面的深入研究開辟了一個嶄新的領(lǐng)域。目前將膜片鉗技術(shù)應(yīng)用到神經(jīng)系統(tǒng)的研究是不少的。但主要側(cè)重于用膜片鉗技術(shù)觀察不同部位細(xì)胞形態(tài)學(xué)和電生理特性的研究；各種化學(xué)藥物的作用對神經(jīng)系統(tǒng)影響的研究；適于膜片鉗技術(shù)研究的細(xì)胞的制備及分離方法。（四）在藥理學(xué)中的應(yīng)用藥物研制的關(guān)鍵

9、在于探測藥物作用的靶點。在藥物篩選中，將目的藥劑以吹打或灌注方式直接施加于培養(yǎng)細(xì)胞。借助特定離子通道阻斷劑，利用膜片鉗方可迅速判明藥物作用及作用方式等問題。因此，膜片鉗對于藥品的研制、生產(chǎn)都有著十分巨大的促進作用。制藥企業(yè)還可以利用當(dāng)前新興藥物虛擬篩選技術(shù)進行初篩，把初篩結(jié)果再結(jié)合全自動膜片鉗技術(shù)進行實驗上的驗證。虛擬篩選的目的是從數(shù)十萬到數(shù)百萬化合物庫中篩選出可能的小分子化合物，再進一步進行實驗研究。把全自動膜片鉗技術(shù)結(jié)合以離子通道為