膜片鉗

膜片鉗又稱單通道電流記錄技術，用特製的玻璃微吸管吸附於細胞表面，使之形成10～100的密封(giga-seal)，又稱巨阻封接，被孤立的小膜片面積為μm量級，內中僅有少數離子通道。然後對該膜片實行電壓鉗位，可測量單個離子通道開放產生的pA（10的負12次方安培）量級的電流，這種通道開放是一種隨機過程。通過觀測單個通道開放和關閉的電流變化，可直接得到各種離子通道開放的電流幅值分布、開放幾率、開放壽命分布等功能參量，並分析它們與膜電位、離子濃度等之間的關係。還可把吸管吸附的膜片從細胞膜上分離出來，以膜的外側向外或膜的內側向外等方式進行實驗研究。這種技術對小細胞的電壓鉗位、改變膜內外溶液成分以及施加藥物都很方便。

1976年德國馬普生物物理化學研究所Neher和Sakmann首次在青蛙肌細胞上用雙電極鉗制膜電位的同時，記錄到ACh激活的單通道離子電流，從而產生了膜片鉗技術。

基本介紹

• 中文名：膜片鉗
• 類型：生物技術
• 產生時間：1976年
• 發現者：Neher和Sakmann

發展歷史

1980年Sigworth等在記錄電極內施加5-50 cmH2O的負壓吸引，得到10-100GΩ的高阻封接（Giga-seal），大大降低了記錄時的噪聲實現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等對該技術進行了改進，引進了膜片游離技術和全細胞記錄技術，從而使該技術更趨完善，具有1pA的電流靈敏度、1μm的空間解析度和10μs的時間解析度。

1983年10月，《Single-Channel Recording》一書問世，奠定了膜片鉗技術的里程碑。Sakmann 和Neher也因其傑出的工作和突出貢獻，榮獲1991年諾貝爾醫學和生理學獎。

主要用途

金屬離子作用於細胞膜行為的研究

細胞膜離子通道的性質鑑定及其動

力學研究

細胞分泌的研究

信號轉導的研究

分子生物學研究

套用舉例

在通道研究中的重要作用

套用膜片鉗技術可以直接觀察和分辨單離子通道電流及其開閉時程、區分離子通道的離子選擇性、同時可發現新的離子通道及亞型，並能在記錄單細胞電流和全細胞電流的基礎上進一步計算出細胞膜上的通道數和開放機率，還可以用以研究某些胞內或胞外物質對離子通道開閉及通道電流的影響等。同時用於研究細胞信號的跨膜轉導和細胞分泌機制。結合分子克隆和定點突變技術，膜片鉗技術可用於離子通道分子結構與生物學功能關係的研究。

利用膜片鉗技術還可以用於藥物在其靶受體上作用位點的分析。如神經元菸鹼受體為配體門控性離子通道，膜片鉗全細胞記錄技術通過記錄菸鹼誘發電流，可直觀地反映出神經元菸鹼受體活動的全過程，包括受體與其激動劑和拮抗劑的親和力，離子通道開放、關閉的動力學特徵及受體的失敏等活動。使用膜片鉗全細胞記錄技術觀察拮抗劑對菸鹼受體激動劑量效曲線的影響，來確定其作用的動力學特徵。然後根據分析拮抗劑對受體失敏的影響，拮抗劑的作用是否有電壓依賴性、使用依賴性等特點，可從功能上區分拮抗劑在菸鹼受體上的不同作用位點，即判斷拮抗劑是作用在受體的激動劑識別位點，離子通道抑或是其它的變構位點上。

與藥物作用有關的心肌離子通道

心肌細胞通過各種離子通道對膜電位和動作電位穩態的維持而保持正常的功能。國外學者在人類心肌細胞離子通道特性的研究中取得了許多進展，使得心肌藥理學實驗由動物細胞模型向人心肌細胞成為可能。

對離子通道生理與病理情況下作用機制的研究

通過對各種生理或病理情況下細胞膜某種離子通道特性的研究，了解該離子的生理意義及其在疾病過程中的作用機制。如對鈣離子在腦缺血神經細胞損害中作用機制的研究表明，缺血性腦損害過程中，Ca2+ 介導現象起非常重要的作用，缺血缺氧使Ca2+通道開放，過多的Ca2+進入細胞內就出現Ca2+超載，導致神經元及細胞膜損害，膜轉運功能障礙，嚴重的可使神經元壞死

對單細胞形態與功能關係的研究

將膜片鉗技術與單細胞逆轉錄多聚酶鏈是反應技術結合，在全細胞膜片鉗記錄下，將單細胞內容物或整個細胞（包括細胞膜）吸入電極中，將細胞記憶體在的各種mRNA全部快速逆轉錄成cDNA，再經常規PCR擴增及待檢的特異mRNA的檢測，藉此可對形態相似而電活動不同的結果做出分子水平的解釋或為單細胞逆轉錄多聚酶鏈式反應提供標本，為同一結構中形態非常相似但功能不同的事實提供分子水平的解釋。國際上掌握此技術的實驗室較少，我國北京大學神經科學研究所於1994年在國內率先開展。

對藥物作用機制的研究

在通道電流記錄中，可分別於不同時間、不同部位（膜內或膜外）施加各種濃度的藥物，研究它們對通道功能的可能影響，了解那些選擇性作用於通道的藥物影響人和動物生理功能的分子機理。這是目前膜片鉗技術套用最廣泛的領域，既有對西藥藥物機制的探討，也廣泛用在重要藥理的研究上。如開麗等報導細胞貼附式膜片鉗單通道記錄法觀測到人參二醇組皂苷可抑制正常和“缺血”誘導的大鼠大腦皮層神經元L-型鈣通道的開放，從而減少鈣內流，對缺血細胞可能有保護作用。陳龍等報導採用細胞貼附式單通道記錄法發現烏頭鹼對培養的Wistar大鼠心室肌細胞L-型鈣通道有阻滯作用。

在心血管藥理研究中的套用

隨著膜片鉗技術在心血管方面的廣泛套用，對血管疾病和藥物作用的認識不僅得到了不斷更新，而且在其病因學與藥理學方面還形成了許多新的觀點。正如諾貝爾基金會在頒獎時所說：“Neher和Sadmann的貢獻有利於了解不同疾病機理，為研製新的更為特效的藥物開闢了道路”。

創新藥物研究與高通量篩選

在離子通道高通量篩選中主要是進行樣品量大、篩選速度占優勢、信息量要求不太高的初級篩選。最近幾年，分別形成了以膜片鉗和螢光探針為基礎的兩大主流技術市場。將電生理研究信息量大、靈敏度高等特點與自動化、微量化技術相結合，產生了自動化膜片鉗等一些新技術。

另有與非損傷微測技術（NMT）的結合套用等。