对单细胞形态与功能关系的研究,将膜片钳技术与单细胞逆转录多聚酶链是反应技术结合,在全细胞膜片钳记录下,将单细胞内容物或整个细胞(包括细胞膜)吸入电极中,将细胞内存在的各种mRNA全部快速逆转录成cDNA,再经常规PCR扩增及待检的特异mRNA的检测,借此可对形态相似而电活动不同的结果做出分子水平的解释或为单细胞逆转录多聚酶链式反应提供标本,为同一结构中形态非常相似但功能不同的事实提供分子水平的解释。目前国际上掌握此技术的实验室较少,我国北京大学神经科学研究所于1994年在国内率先开展。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。全细胞膜片钳研究
膜片钳在通道研究中的重要作用用膜片钳技术可以直接观察和分辨单离子通道电流及其开闭时程、区分离子通道的离子选择性、同时可发现新的离子通道及亚型,并能在记录单细胞电流和全细胞电流的基础上进一步计算出细胞膜上的通道数和开放概率,还可以用以研究某些胞内或胞外物质对离子通道开闭及通道电流的影响等。同时用于研究细胞信号的跨膜转导和细胞分泌机制。结合分子克隆和定点突变技术,膜片钳技术可用于离子通道分子结构与生物学功能关系的研究。利用膜片钳技术还可以用于药物在其靶受体上作用位点的分析。如神经元烟碱受体为配体门控性离子通道,膜片钳全细胞记录技术通过记录烟碱诱发电流,可直观地反映出神经元烟碱受体活动的全过程,包括受体与其激动剂和拮抗剂的亲和力,离子通道开放、关闭的动力学特征及受体的失敏等活动。使用膜片钳全细胞记录技术观察拮抗剂对烟碱受体激动剂量效曲线的影响,来确定其作用的动力学特征。然后根据分析拮抗剂对受体失敏的影响,拮抗剂的作用是否有电压依赖性、使用依赖性等特点,可从功能上区分拮抗剂在烟碱受体上的不同作用位点,即判断拮抗剂是作用在受体的激动剂识别位点,离子通道抑或是其它的变构位点上。德国全细胞膜片钳实验操作Neher将膜片钳技术与Fura 2 荧光测钙技术结合。
高阻封接技术还明显降低了电流记录的背景噪声,从而戏剧性地提高了时间、空间及电流分辨率,如时间分辨率可达10μs、空间分辨率可达1平方微米及电流分辨率可达10-12A。影响电流记录分辨率的背景噪声除了来自于膜片钳放大器本身外,主要还是信号源的热噪声。信号源如同一个简单的电阻,其热噪声为σn=4Kt△f/R式中σn为电流的均方差根,K为波尔兹曼常数,t为温度,△f为测量带宽,R为电阻值。可见,要得到低噪声的电流记录,信号源的内阻必需非常高。如在1kHz带宽,10%精度的条件下,记录1pA的电流,信号源内阻应为2GΩ以上。电压钳技术只能测量内阻通常达100kΩ~50MΩ的大细胞的电流,从而不能用常规的技术和制备达到所要求的分辨率。
不同的全自动膜片钳技术所采用的原理如Population Patch Clamp技术∶同 SealChip技术一样,完全摒齐了玻璃电极,而是采用PatchPlate平面电极芯片。该芯片含有多个小室,每个小室中含有很多1-2μm的封接孔。在记录时,每个小室中封接成功的细胞|数目较多,获得的记录是这些细胞通道电流的平均值。因此,不同小室其通道电流的一致性非常好,变异系数很小。美国Axon(MDS)公司采用这一技术研发出了全自动高通量的 lonWorks Quattro系统,成为药物初期筛选的"金标准"。这一技术的发现和基因克隆技术并架齐驱,给生命科学研究带来了巨大的前进动力。
内面向外膜片(inside-outpatch)高阻封接形成后,在将微管电极轻轻提起,使其与细胞分离,电极端形成密封小泡,在空气中短暂暴露几秒钟后,小泡破裂再回到溶液中就得到“内面向外”膜片。此时膜片两侧的膜电位由固定电位和电压脉冲控制。浴槽电位是地电位,膜电位等于玻管电位的负值。如放大器的电流监视器输出是非反向的,则输出将与膜电流(Im)的负值相等。外面向外膜片(out-sidepatch)高阻封接形成后,继续以负压抽吸,膜片破裂再将玻管慢慢地从细胞表面垂直地提起,断端游离部分自行融合成脂质双层,此时高阻封接仍然存在。而膜外侧面接触浴槽液。这种膜片形式应测膜片电阻,并消除漏电流和电容电流。整个过程要当心是否形成囊泡。如果浴槽保持地电位水平,膜电位即与玻管电位相等。如放大器是非反向的,放大器的输出将与Im值相等。全细胞膜片钳记录是应用较早,也是普遍的钳位技术。德国脑片膜片钳电生理技术
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。全细胞膜片钳研究
在心血管药理研究中的应用,随着膜片钳技术在心血管方面的广泛应用,对血管疾病和药物作用的认识不仅得到了不断更新,而且在其病因学与药理学方面还形成了许多新的观点。正如诺贝尔基金会在颁奖时所说:“Neher和Sadmann的贡献有利于了解不同疾病机理,为研制新的更为的药物开辟了道路”。创新药物研究与高通量筛选,目前在离子通道高通量筛选中主要是进行样品量大、筛选速度占优势、信息量要求不太高的初级筛选。近几年,分别形成了以膜片钳和荧光探针为基础的两大主流技术市场。将电生理研究信息量大、灵敏度高等特点与自动化、微量化技术相结合,产生了自动化膜片钳等一些新技术。全细胞膜片钳研究
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