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。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。德国单电极膜片钳离子电流
电压钳的缺点∶电压钳技术目前主要用于巨火细胞的全细胞电流研究,特别在分子克隆的卵母细胞表达电流的鉴定中发挥其它技术不能替代的作用。但也有其致命的弱点1、微电极需刺破细胞膜进入细胞,以致造成细胞浆流失,破坏了细胞生理功能的完整性;2、不能测定单一通道电流。因为电压钳制的膜面积很大,包含着大量随机开放和关闭着的通道,而且背景噪音大,往往掩盖了单一通道的电流。3、对体积小的细胞(如哺乳类***元,直径在10-30μm之间)进行电压钳实验,技术上有更大的困难。由于电极需插入细胞,不得不将微电极的前列做得很细,如此细的前列致使电极阻抗很大,常常是60~-8OMΩ或120~150MΩ(取决于不同的充灌液)。这样大的电极阻抗不利于作细胞内电流钳或电压钳记录时在短时间(0.1μs)内向细胞内注入电流,达到钳制膜电压或膜电流之目的。再者,在小细胞上插入的两根电极可产生电容而降低测量电压电极的反应能力。脑片膜片钳离子电流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。
1976年德国马普生物物理化学研究所Neher和Sakmann在青蛙肌细胞上记录记录到AChjihuo的单通道离子电流1980年Sigworth等用负压吸引,得到10-100GΩ的高阻封接(Giga-sea1),降低了记录时的噪声1981年Hamill和Neher等引进了膜片游离技术和全细胞记录技术1983年10月,《Single-ChannelRecording》一书问世,奠定了膜片钳技术的里程碑。膜片钳技术原理膜片钳技术是用玻璃微电极接触细胞,形成吉欧姆(GΩ)阻抗,使得与电极前列开口处相接的细胞膜的膜片与周围在电学上绝缘,在此基础上固定电位,对此膜片上的离子通道的离子电流(pA级)进行监测记录的方法。
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。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。
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。不同的全自动膜片钳技术所采用的原理也不完全相同。德国全自动膜片钳价格
封接(seal)是膜片钳记录的关键步骤之一。德国单电极膜片钳离子电流
离子通道的近代观念源于Hodgkin、Huxley、Katz等人在20世纪30—50年代的开创性研究。在1902年,Bernstein创造性地将Nernst的理论应用到生物膜上,提出了“膜学说”。他认为在静息状态下,细胞膜只对钾离子具有通透性;而当细胞兴奋的瞬间,膜的破裂使其丧失了选择通透性,所有的离子都可以自由通过。Cole等人在1939年进行的高频交变电流测量实验表明,当动作电位被触发时,虽然细胞的膜电导大为增加,但膜电容却只略有下降,这个事实表明膜学说所宣称的膜破裂的观点是不可靠的。1949年Cole在玻璃微电极技术的基础上发明了电压钳位(voltage clamp technique)技术德国单电极膜片钳离子电流
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