高通量全自动膜片钳技术

离子通道细胞是动物和人体的基本组成单元，细胞与细胞内的通信是依靠其膜上的离子通道进行的，离子和离子通道是细胞兴奋的基础，亦即产生生物电信号的基础，生物电信号通常用电学或电子学方法进行测量。由此形成了一门细胞学科—电生理学（electrophysiology）。膜片钳技术已成为研究离子通道的"金标准"。电压门控性离子通道∶膜上通道蛋白的带点集团在膜电位改变时，在电场的作用下，重新分布导致通道的关闭，同时有电荷移动，称为门控电流。配体门控离子通道∶神经递质（如乙酰胆碱）、***等与通道蛋白上的特定位点结合，引起蛋白构象的改变，导致通道的打开。机械门控离子通道∶机械牵拉其他。不同的全自动膜片钳技术所采用的原理也不完全相同。高通量全自动膜片钳技术

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10～100 GΩ(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1 μm2，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。日本单电极膜片钳专题玻璃微电极的应用使的电生理研究进行了重命性的变化。

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。

离子通道是一种特殊的膜蛋白，它横跨整个膜结构，是细胞内部与部外联系的桥梁和细胞内外物质交换的孔道，当通道开放时。细胞内外的一些无机离子如Na，k Ca 等带电离子可经通道顺浓度梯度或电位梯度进行跨膜扩散，从而形成这些带电离子在膜内外的不同分布态势，这种态势和在不同状态下的动态变化是可兴奋细胞静息电位和动作电的基础。这些无机离子通过离子通道的进围所产生的电活动是生命活动的基础，只有在此基础上才可能有腺体分泌、肌肉收缩、基因表达、新陈代谢等生命活动。离子通道结构和功能障碍决定了许多疾病的发生和发展。因此，了解离子通道的结构、功能以及结构与功能的关系对于从分子水平深入探讨某些疾病的病理生理机制、发现特异药物或措施等均具有十分重要的理论和实际意义。在膜电位改变时，在电场的作用下，重新分布导致通道的关闭，同时有电荷移动，称为门控电流。

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"。通过膜片钳放大器的控制键将微电极的连接电位（junction potentials）调至零位。双分子层膜片钳高阻抗封接

现代膜片钳技术是在电压钳技术的基础上发展起来的。高通量全自动膜片钳技术

离子选择性（selectivity）（大小和电荷）∶某一种离子只能通过与其相应的通道跨膜扩散（安静∶K＞Na100倍、兴奋;Na＞K10-20倍）;各离子通道在不同状态下，对相应离子的通透性不同。门控特性（Gating）∶失活状态不仅是通道处于关闭状态，而且只有在经过一个额外刺激使通道从失活关闭状态进入静息关闭状态后，通道才能再度接受外界刺激而***开放。

离子通道的功能(FunctionoflonChannels)1.产生细胞生物电现象，与细胞兴奋性相关。2.神经递质的释放、腺体的分泌、肌肉的运动、学习和记忆 3.维持细胞正常形态和功能完整性膜离子通道的基因变异及功能障碍与许多疾病有关，某些先天性与后天获得性疾病是离子通道基因缺陷与功能改变的结果，称为离子通道病（ionchannelpathies）。 高通量全自动膜片钳技术

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