膜片鉗又稱單通道電流記錄技術(shù)，用特制的玻璃微吸管吸附于細(xì)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(nèi)中僅有少數(shù)離子通道。然后對該膜片實(shí)行電壓鉗位，可測量單個(gè)離子通道開放產(chǎn)生的pA（10的負(fù)12次方安培）量級的電流，這種通道開放是一種隨機(jī)過程。通過觀測單個(gè)通道開放和關(guān)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，并分析它們與膜電位、離子濃度等之間的關(guān)系。還可把吸管吸附的膜片從細(xì)胞膜上分離出來，以膜的外側(cè)向外或膜的內(nèi)側(cè)向外等方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。這種技術(shù)對小細(xì)胞的電壓鉗位、改變膜內(nèi)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(xué)研究所Neher和Sakmann首次在青蛙肌細(xì)胞上用雙電極鉗制膜電位的同時(shí)，記錄到ACh激活的單通道離子電流，從而產(chǎn)生了膜片鉗技術(shù)。
發(fā)展歷史
1980年Sigworth等在記錄電極內(nèi)施加5-50 cmH2O的負(fù)壓吸引，得到10-100GΩ的高阻封接（Giga-seal），大大降低了記錄時(shí)的噪聲實(shí)現(xiàn)了單根電極既鉗制膜片電勢又記錄單通道電流的突破。
1981年Hamill和Neher等對該技術(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-Channel Recording》一書問世，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)。
主要用途
金屬離子作用于細(xì)胞膜行為的研究
細(xì)胞膜離子通道的性質(zhì)鑒定及其動
力學(xué)研究
細(xì)胞分泌的研究
信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究
應(yīng)用舉例
在通道研究中的重要作用
應(yīng)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)元尼古丁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(guān)閉的動力學(xué)特征及受體的失敏等活動。使用膜片鉗全細(xì)胞記錄技術(shù)觀察拮抗劑對煙堿受體激動劑量效曲線的影響，來確定其作用的動力學(xué)特征。然后根據(jù)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(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劑識別位點(diǎn)，離子通道抑或是其它的變構(gòu)位點(diǎn)上。
與藥物作用有關(guān)的心肌離子通道
心肌細(xì)胞通過各種離子通道對膜電位和動作電位穩(wěn)態(tài)的維持而保持正常的功能。國外學(xué)者在人類心肌細(xì)胞離子通道特性的研究中取得了許多進(jìn)展，使得心肌藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)由動物細(xì)胞模型向人心肌細(xì)胞成為可能。
對離子通道生理與病理情況下作用機(jī)制的研究
通過對各種生理或病理情況下細(xì)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(jī)制。如對鈣離子在缺血性腦血管病神經(jīng)細(xì)胞損害中作用機(jī)制的研究表明，缺血性腦損害過程中，Ca2+ 介導(dǎo)現(xiàn)象起非常重要的作用，缺血缺氧使Ca2+通道開放，過多的Ca2+進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)就出現(xiàn)Ca2+超載，導(dǎo)致神經(jīng)元及細(xì)胞膜損害，膜轉(zhuǎn)運(yùn)功能障礙，嚴(yán)重的可使神經(jīng)元壞死
對單細(xì)胞形態(tài)與功能關(guān)系的研究
將膜片鉗技術(shù)與單細(xì)胞逆轉(zhuǎn)錄多聚酶鏈?zhǔn)欠磻?yīng)技術(shù)結(jié)合，在全細(xì)胞膜片鉗記錄下，將單細(xì)胞內(nèi)容物或整個(gè)細(xì)胞（包括細(xì)胞膜）吸入電極中，將細(xì)胞內(nèi)存在的各種mRNA全部快速逆轉(zhuǎn)錄成cDNA，再經(jīng)常規(guī)PCR擴(kuò)增及待檢的特異mRNA的檢測，借此可對形態(tài)相似而電活動不同的結(jié)果做出分子水平的解釋或?yàn)閱渭?xì)胞逆轉(zhuǎn)錄多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)提供標(biāo)本，為同一結(jié)構(gòu)中形態(tài)非常相似但功能不同的事實(shí)提供分子水平的解釋。國際上掌握此技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室較少，我國北京大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所于1994年在國內(nèi)率先開展。
對藥物作用機(jī)制的研究
在通道電流記錄中，可分別于不同時(shí)間、不同部位（膜內(nèi)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于通道的藥物影響人和動物生理功能的分子機(jī)理。這是目前膜片鉗技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，既有對西藥藥物機(jī)制的探討，也廣泛用在重要藥理學(xué)的研究上。如開麗等報(bào)道細(xì)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(dǎo)的大鼠扣帶皮層神經(jīng)元L-型鈣通道的開放，從而減少鈣內(nèi)流，對缺血細(xì)胞可能有保護(hù)作用。陳龍等報(bào)道采用細(xì)胞貼附式單通道記錄法發(fā)現(xiàn)烏頭堿對培養(yǎng)的Wistar大鼠心室肌細(xì)胞L-型鈣通道有阻滯作用。
在心血管藥理研究中的應(yīng)用
隨著膜片鉗技術(shù)在心血管方面的廣泛應(yīng)用，對血管疾病和藥物作用的認(rèn)識不僅得到了不斷更新，而且在其病因?qū)W與藥理學(xué)方面還形成了許多新的觀點(diǎn)。正如諾貝爾基金會在頒獎(jiǎng)時(shí)所說：“Neher和Sadmann的貢獻(xiàn)有利于了解不同疾病機(jī)理，為研制新的更為特效的藥物開辟了道路”。
創(chuàng)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(jìn)行樣品量大、篩選速度占優(yōu)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熒光探針為基礎(chǔ)的兩大主流技術(shù)市場。將電生理研究信息量大、靈敏度高等特點(diǎn)與自動化、微量化技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了自動化膜片鉗等一些新技術(shù)。
另有 與非損傷微測技術(shù)（NMT）的結(jié)合應(yīng)用等。
參考資料 >