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武汉膜片钳装置组成介绍

时间:2022-03-19     【原创】

       生理学的发展故事漫长而又复杂,电生理的创立无疑为人类带来了半个多世纪的辉煌。如果说生理学的发展离不开原始医疗实践相关知识的积累,那么电生理学的发展几乎完全依赖于武汉膜片钳装置的发展。回顾历史,自从1731年格雷(Stephen Gray)提出人体带电理论后,无数的学者都开展了研究,试图探究其中的奥秘,从最开始的电流计时代到示波器时代,人类探测到了微小电位的变化;又从玻璃微电极时代过渡到膜片钳时代,人类发现了离子通道的微观结构与作用机制。一直持续到今天,武汉膜片钳装置术仍是当前研究细胞膜电流及离子通道的主流方式。


       膜片钳技术,是用微玻管电极(膜片电极或膜片吸管)接触细胞膜,以千兆欧姆以上的阻抗使之封接,使与电极尖开口处相接的细胞膜的小区域(膜片)与其周围在电学上分隔,在此基础上固定点位,对此膜片上的离子通道的离子电流(pA级)进行监测记录的方法。


       现代的武汉膜片钳装置主要由膜片钳放大器、数模转换器、倒置显微镜、测量探头、微操纵器、计算机数据采集及分析等组成。膜片钳技术的原理是采用玻璃微电极探头吸管,在面积仅为几平方微米的细胞膜上通过负压吸引封接单个离子通道(一般1-3个离子通道)。由于电极的尖端高度绝缘性形成了与细胞膜高阻密封,在电极尖端覆盖下使得膜片实际上与膜上的其他部分在电学上隔离,将膜片内离子通道开放所产生的电流流进玻璃吸管。最后用膜片钳放大器测量此电流强度,就得了单一的离子通道电流。


       作为近现代电生理技术的天花板,武汉膜片钳装置的应用更是达到了一个新的高度。由于其测量精度之高,它不仅广泛用于对离子单通道的形态、功能的研究,还促进了离子通道药理学的发展。膜片钳在记录通道电流时 ,可分别于不同时间,在细胞不同部位的膜内或膜外施加各种浓度不同的药物或毒素,借此可研究它们对通道功能的可能影响,尽可能挖掘出其中的潜在价值。这项研究不仅深入了解了选择性作用于通道的药物和毒素影响人和动物生理功能的分子机理,并且还直接提供了有关通道蛋白亚单位结构与功能关系的信息。我相信任何一项技术理应秉持着与时俱进的道理随着科学的发展而进步,即使武汉膜片钳装置的记录分析功能十分强大,但仍然有许多的生命活动现象不能被解释。


       因此出现了很多与武汉膜片钳装置相结合的技术。如与显微荧光测钙技术相结合的光电联合检测技术,可分析细胞膜离子通道电流及膜电容等多项指标的变化情况和相互之间的关系;与碳纤电极结合局部电化学微量检测技术结合,不仅能研究被探测物质的分泌机制还能轻松鉴别分泌物质;而与逆转录多聚酶链式反应技术(PCR)的结合,从分子水平解释了形态相似的细胞电活动不同。除此之外,武汉膜片钳装置还广泛应用于病理学、神经科学、脑科学、细胞生物学和分子生物学等方面。总之,科学一直在随着时代的变化而发展,膜片钳技术也会不断完善,并且随着研究的深入,它在生命科学中的应用也展现了其中的威力。

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