光遗传学调控技术是近几年正在迅速发展的一项整合了光学、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物技术。Nature Methods杂志将此技术评为"Method of the year 2010"[19];美国麻省理工学院科技评述(MIT Technology Review,2010)在其总结性文章"The year in biomedicine"中指出:光遗传学调控技术现已经迅速成为生命科学,特别是神经和心脏研究领域中热门的研究方向之一。目前这一技术正在被全球几百家从事心脏学、神经科学和神经工程研究的实验室使用,帮助科学家们深入理解大脑的功能,进而为深刻认识神经、精神疾病、心血管疾病的发病机理并研发针对疾病干预和的新技术。膜片钳技术是用玻璃微电极吸管把只含1-3个离子通道、面积为几个平方微米的细胞膜通过负压吸引封接起来。德国膜片钳脑片
膜片钳技术的建立1.抛光及填充好玻璃管微电极,并将它固定在电极夹持器中。2.通过一个与电极夹持器连接的导管给微电极内一个压力,一直到电极浸入记录槽溶液中。3.当电极浸没在溶液中时给电极一个测定脉冲(命令电压,如5-10ms,10mV)读出电流,按照欧姆定律计算电阻。4.通过膜片钳放大器的控制键将微电极前列的连接电位(junctionpotentials)调至零位,这种电位差是由于电极内填充溶液与浸浴液不同离子成分的迁移造成的。5.用微操纵器将微电极前列在直视下靠近要记录的细胞表面,并观察电流的变化,直至阻抗达到1GΩ以上形成"干兆封接"6.调整静息膜电位到期望的钳位电压的水平,使放大器从"搜寻"转到"电压钳"时细胞不至于钳位到零。美国双电极膜片钳报价封接(seal)是膜片钳记录的关键步骤之一。
在形成高阻抗封接后,记录实验结果之前,通常要根据实验的要求进行参数补偿,以期获得符合实际的结果。需要注意的是,应恰当设置放大器的带宽,例如10kHz,这样在电流监测端将观察不到超越此频带以外的无用信息。膜片钳实验难度大、技术要求高,要掌握有关技术和方法虽不是很困难的事,但要从一大批的实验数据中,经过处理和分析,得出有意义、有价值的结果和结论,就显得不那么容易,有许多需要注意和考虑的问题,包括减少噪音,避免电极前端的污染,提高封接成功率,具体实验过程中还需要考虑如何选取记录模式,为记录特定离子电流如何选择电极内、外液,如何选择阻断剂、激动剂,如何进行正确的数据采集等许多更为复杂的问题,还需在科研实践中不断地探索和解决。
膜片钳技术的发展∶全自动膜片钳技术(Automated patch clamp technique)的出现标志着膜片钳技术已经发展到了一个崭新阶段,从这个意义上说,前面所讲的膜片钳技术我们称之为传统膜片钳技术( Traditional patch clamp technique),传统膜片钳技术每次只能记录一个细胞(或一对细胞),对实验人员来说是一项耗时耗力的工作,不适合在药物开发初期和中期进行大量化合物的筛选,也不适合需要记录火量细胞的基础实验研究。全自动膜片钳技术的出现在很大程度上解决了这些问题,它不仅通量高,一次能记录几个甚至几十个细胞,而且从找细胞、形成封接、破膜等整个实验操作实现了自动化,免除了这些操作的复杂与困难。这两个优点使得膜片钳技术的工作效率提高了!全自动膜片钳技术采用的标本必须是悬浮细胞,像脑片这类标本无法采用。此外,全自动膜片钳技术只能进行全细胞记录模式、穿孔膜片钳记录模式以及细胞贴附式单通道记录模式,而不能进行其他模式的记录。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。
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"。膜电位Vm由高输入阻抗的电压跟随器所测量。日本细胞膜片钳报价
了解离子通道的功能以及结构的关系对于从分子水平深入探讨某些疾病措施等均具有十分重要的理论和实际意义。德国膜片钳脑片
神经毒理研究室是现代毒理学教育部重点实验室和江苏省应用毒理重点实验室的组成部分,在上世纪八九十年代就开始组建膜片钳实验室,属国内较早一批开展此工作的课题组,二十年来,在导师肖杭教授领导、全体研究生的共同努力下,现在这门技术已经成熟稳定,并得到国际国内同行的认可。1991Nobel基金会的颁奖评语∶膜片钳技术点燃了细胞和分子水平的生理学研究的**之火,为细胞生理学的研究带来了一场**性的变化,它和基因克隆技术并驾齐驱,给生命科学研究带来了巨大的前进动力。德国膜片钳脑片
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