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芬蘭膜片鉗電流鉗制

來(lái)源: 發(fā)布時(shí)間:2023-01-15

這一設(shè)計(jì)模式似乎幾十年都沒(méi)有改變過(guò),作為一個(gè)有著近20年膜片鉗經(jīng)驗(yàn)的科研工作者,記得自己進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室次看到的放大器就差不多是這樣,也不覺(jué)得還會(huì)有什么變化。直到筆者在19年訪問(wèn)歐洲的一個(gè)同樣做電生理的實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)了這樣一款獨(dú)特的放大器,讓筆者眼前一亮,這款放大器從前置放大器出來(lái)的線竟然就直接連接在了電腦上,當(dāng)筆者問(wèn)他們放大器和數(shù)模呢?他們說(shuō),你看到的就是全部了,所以的部件都包含在了這個(gè)前置放大器中。全自動(dòng)膜片鉗技術(shù)采用的標(biāo)本必須是懸浮細(xì)胞,像腦片這類標(biāo)本無(wú)法采用。芬蘭膜片鉗電流鉗制

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1976年德國(guó)馬普生物物理化學(xué)研究所Neher和Sakmann在青蛙肌細(xì)胞上記錄記錄到AChjihuo的單通道離子電流1980年Sigworth等用負(fù)壓吸引,得到10-100GΩ的高阻封接(Giga-sea1),降低了記錄時(shí)的噪聲1981年Hamill和Neher等引進(jìn)了膜片游離技術(shù)和全細(xì)胞記錄技術(shù)1983年10月,《Single-ChannelRecording》一書(shū)問(wèn)世,奠定了膜片鉗技術(shù)的里程碑。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,使得與電極前列開(kāi)口處相接的細(xì)胞膜的膜片與周?chē)陔妼W(xué)上絕緣,在此基礎(chǔ)上固定電位,對(duì)此膜片上的離子通道的離子電流(pA級(jí))進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄的方法。雙分子層膜片鉗解決方案膜片鉗技術(shù)的建立,對(duì)生物學(xué)科學(xué)特別是神經(jīng)科學(xué)是一資有重大意義的變革。

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對(duì)電極持續(xù)施加一個(gè)1mV、10~50ms的階躍脈沖刺激,電極入水后電阻約4~6MΩ,此時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕顯示框中可看到測(cè)試脈沖產(chǎn)生的電流波形。開(kāi)始時(shí)增益不宜設(shè)得太高,一般可在1~5mV/pA,以免放大器飽和。由于細(xì)胞外液與電極內(nèi)液之間離子成分的差異造成了液結(jié)電位,故一般電極剛?cè)胨畷r(shí)測(cè)試波形基線并不在零線上,須首先將保持電壓設(shè)置為0mV,并調(diào)節(jié)“電極失調(diào)控制“使電極直流電流接近于零。用微操縱器使電極靠近細(xì)胞,當(dāng)電極前列與細(xì)胞膜接觸時(shí)封接電阻指示Rm會(huì)有所上升,將電極稍向下壓,Rm指示會(huì)進(jìn)一步上升。通過(guò)細(xì)塑料管向電極內(nèi)稍加負(fù)壓,細(xì)胞膜特性良好時(shí),Rm一般會(huì)在1min內(nèi)快速上升,直至形成GΩ級(jí)的高阻抗封接。一般當(dāng)Rm達(dá)到100MΩ左右時(shí),電極前列施加輕微負(fù)電壓(-30~-10mV)有助于GΩ封接的形成。此時(shí)的現(xiàn)象是電流波形再次變得平坦,使電極超極化由-40到-90mV,有助于加速形成封接。為證實(shí)GΩ封接的形成,可以增加放大器的增益,從而可以觀察到除脈沖電壓的首尾兩端出現(xiàn)電容性脈沖前列電流之外,電流波形仍呈平坦?fàn)睢?/p>

膜片鉗技術(shù)是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域非常重要的一項(xiàng)技術(shù),1976年由國(guó)馬普生物物理研究所Neher和Sakmann發(fā)明,從而在活細(xì)胞上記錄到單個(gè)離子通道的電流。近半個(gè)世紀(jì)來(lái),膜片鉗技術(shù)已經(jīng)成為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域較常用也是較實(shí)用的技術(shù)之一,具有極大的精確性和靈活性,能夠揭示離子通道,單細(xì)胞突觸反應(yīng),及神經(jīng)環(huán)路連接等多層次的電生理特性。做過(guò)膜片鉗的人都知道,膜片鉗的信號(hào)采集設(shè)備一般由前置放大器,放大器,模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成,神經(jīng)元電信號(hào)先通過(guò)前置放大器(headstage)初步放大,后傳輸入放大器進(jìn)一步放大,再傳入模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),后被計(jì)算機(jī)采集。下圖顯示的是我們較常使用的AXON和HEKA膜片鉗的一個(gè)信號(hào)傳輸路徑。典型的單通道電流呈一種振幅相同而持續(xù)時(shí)間不等的脈沖樣變化。

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電壓鉗的缺點(diǎn)∶電壓鉗技術(shù)目前主要用于巨火細(xì)胞的全細(xì)胞電流研究,特別在分子克隆的卵母細(xì)胞表達(dá)電流的鑒定中發(fā)揮其它技術(shù)不能替代的作用。但也有其致命的弱點(diǎn)1、微電極需刺破細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞,以致造成細(xì)胞漿流失,破壞了細(xì)胞生理功能的完整性;2、不能測(cè)定單一通道電流。因?yàn)殡妷恒Q制的膜面積很大,包含著大量隨機(jī)開(kāi)放和關(guān)閉著的通道,而且背景噪音大,往往掩蓋了單一通道的電流。3、對(duì)體積小的細(xì)胞(如哺乳類***元,直徑在10-30μm之間)進(jìn)行電壓鉗實(shí)驗(yàn),技術(shù)上有更大的困難。由于電極需插入細(xì)胞,不得不將微電極的前列做得很細(xì),如此細(xì)的前列致使電極阻抗很大,常常是60~-8OMΩ或120~150MΩ(取決于不同的充灌液)。這樣大的電極阻抗不利于作細(xì)胞內(nèi)電流鉗或電壓鉗記錄時(shí)在短時(shí)間(0.1μs)內(nèi)向細(xì)胞內(nèi)注入電流,達(dá)到鉗制膜電壓或膜電流之目的。再者,在小細(xì)胞上插入的兩根電極可產(chǎn)生電容而降低測(cè)量電壓電極的反應(yīng)能力。離子通道是一種特殊的膜蛋白,它橫跨整個(gè)膜結(jié)構(gòu),是細(xì)胞內(nèi)部與部外聯(lián)系的橋梁和細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)交換的孔道。芬蘭高通量全自動(dòng)膜片鉗研究

微電極的制備膜片鉗電極是用外徑為1-2mm的毛細(xì)玻璃管拉制成的。芬蘭膜片鉗電流鉗制

1976年德國(guó)馬普生物物理化學(xué)研究所Neher和Sakmann在青蛙肌細(xì)胞上用雙電極鉗制膜電位的同時(shí),記錄到ACh的單通道離子電流,從而產(chǎn)生了膜片鉗技術(shù)。1980年Sigworth等在記錄電極內(nèi)施加5-50cmH2O的負(fù)壓吸引,得到10-100GΩ的高阻封接(Giga-seal),明顯降低了記錄時(shí)的噪聲實(shí)現(xiàn)了單根電極既鉗制膜片電位又記錄單通道電流的突破。1981年Hamill和Neher等對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn),引進(jìn)了膜片游離技術(shù)和全細(xì)胞記錄技術(shù),從而使該技術(shù)更趨完善,具有1pA的電流靈敏度、1μm的空間分辨率和10μs的時(shí)間分辨率。1983年10月,《Single-ChannelRecording》一書(shū)問(wèn)世,奠定了膜片鉗技術(shù)的里程碑。Sakmann和Neher也因其杰出的工作和突出貢獻(xiàn),榮獲1991年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。芬蘭膜片鉗電流鉗制

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