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(hào)。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(duì)刺激電流的反應(yīng)。記錄的是諸如動(dòng)作電位,EPSP;IPSP等電壓信號(hào)。膜片鉗技術(shù)實(shí)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。在細(xì)胞膜的電學(xué)模型中,膜電容和膜電導(dǎo)構(gòu)成了一個(gè)并聯(lián)回路。芬蘭雙電極膜片鉗實(shí)驗(yàn)操作
離子通道的近代觀念源于Hodgkin、Huxley、Katz等人在20世紀(jì)30—50年代的開創(chuàng)性研究。在1902年,Bernstein創(chuàng)造性地將Nernst的理論應(yīng)用到生物膜上,提出了“膜學(xué)說”。他認(rèn)為在靜息狀態(tài)下,細(xì)胞膜只對(duì)鉀離子具有通透性;而當(dāng)細(xì)胞興奮的瞬間,膜的破裂使其喪失了選擇通透性,所有的離子都可以自由通過。Cole等人在1939年進(jìn)行的高頻交變電流測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)動(dòng)作電位被觸發(fā)時(shí),雖然細(xì)胞的膜電導(dǎo)大為增加,但膜電容卻只略有下降,這個(gè)事實(shí)表明膜學(xué)說所宣稱的膜破裂的觀點(diǎn)是不可靠的。1949年Cole在玻璃微電極技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)明了電壓鉗位(voltage clamp technique)技術(shù)美國全細(xì)胞膜片鉗離子通道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(yùn)用。
鈣成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)神經(jīng)元、心肌以及多種細(xì)胞胞內(nèi)鈣離子的變化,從而檢測(cè)神經(jīng)元、心肌的活動(dòng)情況。這些技術(shù)是人們觀測(cè)神經(jīng)以及多種細(xì)胞活動(dòng)為直接的手段,現(xiàn)已發(fā)展為生命科學(xué)研究的熱點(diǎn),也是國家自然科學(xué)基金等鼓勵(lì)申報(bào)的重要領(lǐng)域。光遺傳學(xué)調(diào)控技術(shù)是近幾年正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)整合了光學(xué)、基因操作技術(shù)、電生理等多學(xué)科交叉的生物技術(shù)。NatureMethods雜志將此技術(shù)評(píng)為"Methodoftheyear2010"[19];美國麻省理工學(xué)院科技評(píng)述(MITTechnologyReview,2010)在其總結(jié)性文章"Theyearinbiomedicine"中指出:光遺傳學(xué)調(diào)控技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)迅速成為生命科學(xué),特別是神經(jīng)和心臟研究領(lǐng)域中熱門的研究方向之一。目前這一技術(shù)正在被全球幾百家從事心臟學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)工程研究的實(shí)驗(yàn)室使用,幫助科學(xué)家們深入理解大腦的功能,進(jìn)而為深刻認(rèn)識(shí)神經(jīng)、精神疾病、心血管疾病的發(fā)病機(jī)理并研發(fā)針對(duì)疾病干預(yù)和的新技術(shù)。
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(shí)程、區(qū)分離子通道的離子選擇性、同時(shí)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(jì)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(duì)離子通道開閉及通道電流的影響等。同時(shí)用于研究細(xì)胞信號(hào)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(diǎn)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(diǎn)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(dòng)的全過程,包括受體與其激動(dòng)劑和拮抗劑的親和力,離子通道開放、關(guān)閉的動(dòng)力學(xué)特征及受體的失敏等活動(dòng)。使用膜片鉗全細(xì)胞記錄技術(shù)觀察拮抗劑對(duì)煙堿受體激動(dòng)劑量效曲線的影響,來確定其作用的動(dòng)力學(xué)特征。然后根據(jù)分析拮抗劑對(duì)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(diǎn),可從功能上區(qū)分拮抗劑在煙堿受體上的不同作用位點(diǎn),即判斷拮抗劑是作用在受體的激動(dòng)劑識(shí)別位點(diǎn),離子通道抑或是其它的變構(gòu)位點(diǎn)上。膜電位Vm由高輸入阻抗的電壓跟隨器所測(cè)量。
全細(xì)胞記錄構(gòu)型(whole-cellrecording) 高阻封接形成后,繼續(xù)以負(fù)壓抽吸使電極管內(nèi)細(xì)胞膜破裂,電極胞內(nèi)液直接相通,而與浴槽液絕緣,這種形式稱為“全細(xì)胞”記錄。它既可記錄膜電位又可記錄膜電流。其中膜電位可在電流鉗情況下記錄,或?qū)⒉9苓B到標(biāo)準(zhǔn)高阻微電極放大器上記錄。在電壓鉗條件下記錄到的大細(xì)胞全細(xì)胞電流可達(dá)nA級(jí),全細(xì)胞鉗的串聯(lián)電阻(玻管和細(xì)胞內(nèi)部之間的電阻)應(yīng)當(dāng)補(bǔ)償。任何流經(jīng)膜的電流均流經(jīng)這一電阻,所引起的電壓降將使玻管電壓不同于細(xì)胞內(nèi)的真正電位。電流愈大,愈需對(duì)串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償。全細(xì)胞鉗應(yīng)注意細(xì)胞必需合理的小到其電流能被放大器測(cè)到的范圍(25~50nA)。減少串聯(lián)電阻的方法是玻管尖要比單通道記錄大。封接(seal)是膜片鉗記錄的關(guān)鍵步驟之一。芬蘭雙電極膜片鉗實(shí)驗(yàn)操作
膜片鉗技術(shù)原理膜片鉗技術(shù)是用玻璃微電極接觸細(xì)胞,形成吉?dú)W姆(GΩ)阻抗。芬蘭雙電極膜片鉗實(shí)驗(yàn)操作
電壓鉗的原理∶用兩根前列直徑0.5um的電極插入細(xì)胞內(nèi),一根電極用作記錄電極以記錄跨膜電位,用另一根電極作為電流注入電極,以固定膜電位。從而實(shí)現(xiàn)固定膜電位的同時(shí)記錄膜電流。電位記錄電極引導(dǎo)的膜電位(Vm)輸入電壓鉗放大器的負(fù)輸入端,而人為控制的指令電位(Vc)輸入正輸入端,放大器的正負(fù)輸入端子等電位,向正輸入端子施加指令電位(Vc)時(shí),經(jīng)過短路負(fù)端子可使膜片等電較,即Vm=Vc,從而達(dá)到電位鉗制的目的,并可維持一定的時(shí)間。Vc的不同變化將導(dǎo)致Vm的變化,從而引起細(xì)胞膜上電壓依賴性離子通道的開放,通道開放引起的離子流反過來又引起Vm的變化,致使Vm≠Vc,Vc與Vm的任何差值都會(huì)導(dǎo)致放大器有電壓輸出,將相反極性的電流注入細(xì)胞,以使Vc=Vm,注入電流的大小與跨膜離子流相等,但方向相反。因而注入的電流被認(rèn)為是標(biāo)本興奮時(shí)的跨膜電流值(通道電流)。芬蘭雙電極膜片鉗實(shí)驗(yàn)操作
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