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。近年來，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...

高阻封接問題的解決不僅改善了電流記錄性能，還隨之出現了研究通道電流的多種膜片鉗方式。根據不同的研究目的，可制成不同的膜片構型。細胞吸附膜片(cell-attachedpatch)將兩次拉制后經加熱拋光的微管電極置于清潔的細胞膜表面上，形成高阻封接，在細胞膜表面隔離出一小片膜，既而通過微管電極對膜片進行電壓鉗制，分辨測量膜電流，稱為細胞貼附膜片。由于不破壞細胞的完整性，這種方式又稱為細胞膜上的膜片記錄。此時跨膜電位由玻管固定電位和細胞電位決定。因此，為測定膜片兩側的電位，需測定細胞膜電位并從該電位減去玻管電位。從膜片的通道活動看，這種形式的膜片是極穩定的，因細胞骨架及有關代謝過程是完整的，所受的...

一、記錄設備首先，盡可能完善膜片鉗記錄設備是實驗前的重要步驟，如用模型細胞測定電子設備、安裝并測試應用軟件、調節光學顯微鏡、檢驗防震工作臺等。二、微電極的制備膜片鉗電極是用外徑為1-2mm的毛細玻璃管拉制成的。標準的毛細玻璃管（外經1.5mm，管壁厚0.3mm）適合于制作單通道記錄的微電極，而全細胞記錄則應選管壁較薄（0.16mm）的毛細玻璃管，這樣可以使電極阻抗較低。三、封接（Sealing）技術封接（seal）是膜片鉗記錄的關鍵步驟之一。封接不好噪聲太大必然影響細胞膜電信號的記錄，一般要求封接阻抗至少20GΩ才可進行常規記錄。為了形成良好封接必須保持清潔的溶液、良好的視野以及適當的電極鍍膜...

內面向外膜片(inside-outpatch)高阻封接形成后，在將微管電極輕輕提起，使其與細胞分離，電極端形成密封小泡，在空氣中短暫暴露幾秒鐘后，小泡破裂再回到溶液中就得到“內面向外”膜片。此時膜片兩側的膜電位由固定電位和電壓脈沖控制。浴槽電位是地電位，膜電位等于玻管電位的負值。如放大器的電流監視器輸出是非反向的，則輸出將與膜電流(Im)的負值相等。外面向外膜片(out-sidepatch)高阻封接形成后，繼續以負壓抽吸，膜片破裂再將玻管慢慢地從細胞表面垂直地提起，斷端游離部分自行融合成脂質雙層，此時高阻封接仍然存在。而膜外側面接觸浴槽液。這種膜片形式應測膜片電阻，并消除漏電流和電容電流。整個...

在形成高阻抗封接后，記錄實驗結果之前，通常要根據實驗的要求進行參數補償，以期獲得符合實際的結果。需要注意的是，應恰當設置放大器的帶寬，例如10kHz，這樣在電流監測端將觀察不到超越此頻帶以外的無用信息。膜片鉗實驗難度大、技術要求高，要掌握有關技術和方法雖不是很困難的事，但要從一大批的實驗數據中，經過處理和分析，得出有意義、有價值的結果和結論，就顯得不那么容易，有許多需要注意和考慮的問題，包括減少噪音，避免電極前端的污染，提高封接成功率，具體實驗過程中還需要考慮如何選取記錄模式，為記錄特定離子電流如何選擇電極內、外液，如何選擇阻斷劑、激動劑，如何進行正確的數據采集等許多更為復雜的問題，還需在科研...

細胞是動物和人體的基本單元，細胞與細胞內的通信是依靠其膜上的離子通道進行的，離子和離子通道是細胞興奮的基礎，亦即產生生物電信號的基礎，生物電信號通常用電學或電子學方法進行測量。由此形成了一門細胞學科--電生理學。膜片鉗技術已成為研究離子通道的黃金標準。電壓門控性離子通道：膜上通道蛋白的帶點集團在膜電位改變時，在電場的作用下，重新分布導致通道的關閉，同時有電荷移動，稱為門控電流。配體門控離子通道：神經遞質（如乙酰膽堿）、ji素等與通道蛋白上的特定位點結合，引起蛋白構像的改變，導致通道的打開。膜片鉗技術原理膜片鉗技術是用玻璃微電極接觸細胞，形成吉歐姆（GΩ）阻抗。美國高通量全自動膜片鉗參數80年代...

實驗溶液浸溶細胞溶液和微電極玻璃管內的填充液成分對全細胞膜片鉗記錄也是很重要的內容，這關系到封接的容易程度、細胞存活狀態及膜電位的狀態等。在實驗記錄過程中，尤其是神經生物學實驗，需要迅速更換細胞浸溶液濃度以免受體敏感性降低（desensitization）或需要模擬快速突觸反應的壽命。原則上細胞的浸溶液成分或玻璃管內填充液成分應該與細胞外或細胞內間質的成分相似，實際研究中，為了探討某些通道或電位特性，對這些實驗溶液的成分或濃度會作必要調整，沒有哪種溶液是理想的。了解離子通道的功能以及結構的關系對于從分子水平深入探討某些疾病措施等均具有十分重要的理論和實際意義。芬蘭可升級膜片鉗電生理技術離子通道...

1976年德國馬普生物物理化學研究所Neher和Sakmann在青蛙肌細胞上用雙電極鉗制膜電位的同時，記錄到ACh的單通道離子電流，從而產生了膜片鉗技術。1980年Sigworth等在記錄電極內施加5-50cmH2O的負壓吸引，得到10-100GΩ的高阻封接（Giga-seal），明顯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的空間分辨率和10μs的時間分辨率。1983年10月，《Single-ChannelRecordin...

現在這塊全新的芯片被放置在了跟前置放大器大小類似的小盒子中，便成就了這款全球較小的膜片鉗放大器ePatch。體積大幅縮減只是一個表面，由于細胞電信號在被電極記錄到后，直接進入了芯片，以較短的路徑直接從模擬信號轉變成了數字信號，在很大程度上減少了環境及電路噪音對信號的影響，所以這款放大器便可以輕易獲取非常高質量且穩定的電生理信號。ePatch體積只為42*18*78mm，重量200g，整套設備的大小只相當于傳統膜片鉗設備的前置放大器，可以輕松地放入衣服口袋。用USB接口連接電腦后即可使用，無需額外電源，連接和使用都極為簡便。沒有了占地方的放大器，數模轉換器以及相互連接的眾多電線，電源線等等，我們...

鈣成像技術被廣泛應用于實時監測神經元、心肌以及多種細胞胞內鈣離子的變化，從而檢測神經元、心肌的活動情況。這些技術是人們觀測神經以及多種細胞活動為直接的手段，現已發展為生命科學研究的熱點，也是國家自然科學基金等鼓勵申報的重要領域。光遺傳學調控技術是近幾年正在迅速發展的一項整合了光學、基因操作技術、電生理等多學科交叉的生物技術。NatureMethods雜志將此技術評為"Methodoftheyear2010"[19]；美國麻省理工學院科技評述（MITTechnologyReview，2010）在其總結性文章"Theyearinbiomedicine"中指出：光遺傳學調控技術現已經迅速成為生命科學...

對單細胞形態與功能關系的研究，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，將細胞內存在的各種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，借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。目前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于1994年在國內率先開展。在膜電位改變時，在電場的作用下，重新分布導致通道的關閉，同時有電荷移動，稱為門控電流。德國全細胞膜片鉗研究不同...

離子通道結構研究∶目前，絕大多數離子通道的一級結構得到了闡明但根本的還是要搞清楚各種離子通道的三維結構，在這方面，美國的二位科學家彼得·阿格雷和羅德里克麥金農做出了一些開創性的工作，他們到用X光繞射方法得到了K離子通道的三維結構，二位因此獲得2003年諾貝系化學獎。有關離子通道結構不是本PPT的重點，可參考楊寶峰的<離子通道藥理學>和Hill的<lonicChannelsOfExcitableMembranes》。對離子通道功能的研究，主要采用記錄離子通道電流來間接反映離子通道功能，目前有如下兩種技術：電壓鉗技術（VoltageClamp），膜片鉗（patchcla...

全細胞膜片鉗記錄（whole-cellpatch-clamprecording）是應用*早，也是*廣的鉗位技術，它相當于連續的單電極電壓鉗位記錄，也就是說全細胞記錄類似于傳統的細胞內記錄，但它具有更大的優越性，如高分辨率、低噪聲、極好的穩定性以及能控制細胞內的成分等。全細胞記錄技采測定的是一個細胞內全部**通道的電流，記錄過程中電極的溶液取代了原細胞質的成分。雖然膜片鉗記錄技術與*初的單電極電壓鉗位相比進步了很多，尤其在單離子通道鉗位記錄方面，細胞或腦片的組織選擇及實驗溶液的制備仍然是很重要的步驟。玻璃微電極的應用使的電生理研究進行了重命性的變化。細胞膜片鉗廠家膜片鉗技術實現了小片膜的孤立和高...

在大多數膜片鉗實驗，要求所有實驗儀器及設備均具有良好的機械穩定性，以使微電極與細胞膜之間的相對運動盡可能小。防震工作臺放置倒置顯微鏡和與之固定連接的微操縱器，其他設備置于臺外。屏蔽罩由銅絲網制成，接地以防止周圍環境的雜散電場對膜片鉗放大器的探頭電路的干擾。儀器設備架要靠近工作臺，便于測量儀器與光學儀器配接。倒置顯微鏡是膜片鉗實驗系統的主要光學部件，它不僅具有較好的視覺效果，便于將玻璃電極與細胞的頂部接觸，而且是借助移動物鏡來實現聚焦，具有較好的機械穩定性。視頻監視器主要是用來監視實驗過程中的操作，特別是能將封接參數（如封接阻抗）與細胞的形態對應，以實現良好的封接。膜電導測定的依據是電學中的歐姆...

20世紀初由Cole發明，Hodgkin和Huxleyw完善，目的是為了證明動作電位的峰電位是由于膜對鈉的通透性發生了一過性的增大過程。但當時沒有直接測定膜通透性的辦法，于是就用膜對某種離子的電導來**該種離子的通透性。 為了弄清膜電導變化的機制和離子通道的存在，也為了克服電壓鉗的缺點Erwin和Bert在電壓鉗的基礎上發明了膜片鉗，并利用該技術***在蛙肌膜上記錄到PA級的乙酰膽堿激動的單通道電流，***證明了離子通道的存在。并證明在完整細胞膜上記錄到膜電流是許多單通道電流總和的結果。這一技術被譽為與分子克隆技術并駕齊驅的劃時代的偉大發明。二人因此獲得諾貝爾生理或醫學獎。 這是一種...

ePatch的設計的一些亮點還包括：可以在軟件中伴隨數據進行實驗記錄，你不用再專門拿一個實驗記錄本了，也不用再擔心本本上記錄的內容找不到對應的數據了，系統會把他們一一對應起來。電壓電流刺激模式的編輯更為傻瓜，眾多的模塊，直接拖拽就可以，還伴隨著示例圖，讓你對你編輯的程序一目了然。實時的全細胞參數估算，包括封接電阻，膜電容，膜電阻等重要參數強大的在線分析功能，包括電壓鉗模式下的I/V graph，event detection，FFT，以及電流鉗模式下的AP threshold detection，AP frequency，AP slope等數據可保存成多種格式，你要是個程序達人，可以支持使用M...

電壓鉗的原理∶用兩根前列直徑0.5um的電極插入細胞內，一根電極用作記錄電極以記錄跨膜電位，用另一根電極作為電流注入電極，以固定膜電位。從而實現固定膜電位的同時記錄膜電流。電位記錄電極引導的膜電位（Vm）輸入電壓鉗放大器的負輸入端，而人為控制的指令電位（Vc）輸入正輸入端，放大器的正負輸入端子等電位，向正輸入端子施加指令電位（Vc）時，經過短路負端子可使膜片等電較，即Vm=Vc，從而達到電位鉗制的目的，并可維持一定的時間。Vc的不同變化將導致Vm的變化，從而引起細胞膜上電壓依賴性離子通道的開放，通道開放引起的離子流反過來又引起Vm的變化，致使Vm≠Vc，Vc與Vm的任何差值都會導致放大器有電壓...

膜片鉗在通道研究中的重要作用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，并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概率，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。同時用于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，膜片鉗技術可用于離子通道分子結構與生物學功能關系的研究。利用膜片鉗技術還可以用于藥物在其靶受體上作用位點的分析。如神經元煙堿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煙堿誘發電流，可直觀地反映出神經元煙堿受體活動的全過程，包括...

內面向外膜片(inside-outpatch)高阻封接形成后，在將微管電極輕輕提起，使其與細胞分離，電極端形成密封小泡，在空氣中短暫暴露幾秒鐘后，小泡破裂再回到溶液中就得到“內面向外”膜片。此時膜片兩側的膜電位由固定電位和電壓脈沖控制。浴槽電位是地電位，膜電位等于玻管電位的負值。如放大器的電流監視器輸出是非反向的，則輸出將與膜電流(Im)的負值相等。外面向外膜片(out-sidepatch)高阻封接形成后，繼續以負壓抽吸，膜片破裂再將玻管慢慢地從細胞表面垂直地提起，斷端游離部分自行融合成脂質雙層，此時高阻封接仍然存在。而膜外側面接觸浴槽液。這種膜片形式應測膜片電阻，并消除漏電流和電容電流。整個...

膜片鉗技術的建立1.拋光及填充好玻璃管微電極，并將它固定在電極夾持器中。2.通過一個與電極夾持器連接的導管給微電極內一個壓力，一直到電極浸入記錄槽溶液中。3.當電極浸沒在溶液中時給電極一個測定脈沖（命令電壓，如5-10ms，10mV）讀出電流，按照歐姆定律計算電阻。4.通過膜片鉗放大器的控制鍵將微電極前列的連接電位（junctionpotentials）調至零位，這種電位差是由于電極內填充溶液與浸浴液不同離子成分的遷移造成的。5.用微操縱器將微電極前列在直視下靠近要記錄的細胞表面，并觀察電流的變化，直至阻抗達到1GΩ以上形成"干兆封接"6.調整靜息膜電位到期望的鉗位電壓的水平，使放大器從"搜尋...

電壓鉗的原理∶用兩根前列直徑0.5um的電極插入細胞內，一根電極用作記錄電極以記錄跨膜電位，用另一根電極作為電流注入電極，以固定膜電位。從而實現固定膜電位的同時記錄膜電流。電位記錄電極引導的膜電位（Vm）輸入電壓鉗放大器的負輸入端，而人為控制的指令電位（Vc）輸入正輸入端，放大器的正負輸入端子等電位，向正輸入端子施加指令電位（Vc）時，經過短路負端子可使膜片等電較，即Vm=Vc，從而達到電位鉗制的目的，并可維持一定的時間。Vc的不同變化將導致Vm的變化，從而引起細胞膜上電壓依賴性離子通道的開放，通道開放引起的離子流反過來又引起Vm的變化，致使Vm≠Vc，Vc與Vm的任何差值都會導致放大器有電壓...

在形成高阻抗封接后，記錄實驗結果之前，通常要根據實驗的要求進行參數補償，以期獲得符合實際的結果。需要注意的是，應恰當設置放大器的帶寬，例如10kHz，這樣在電流監測端將觀察不到超越此頻帶以外的無用信息。膜片鉗實驗難度大、技術要求高，要掌握有關技術和方法雖不是很困難的事，但要從一大批的實驗數據中，經過處理和分析，得出有意義、有價值的結果和結論，就顯得不那么容易，有許多需要注意和考慮的問題，包括減少噪音，避免電極前端的污染，提高封接成功率，具體實驗過程中還需要考慮如何選取記錄模式，為記錄特定離子電流如何選擇電極內、外液，如何選擇阻斷劑、激動劑，如何進行正確的數據采集等許多更為復雜的問題，還需在科研...

對電極持續施加一個1mV、10～50ms的階躍脈沖刺激，電極入水后電阻約4～6MΩ，此時在計算機屏幕顯示框中可看到測試脈沖產生的電流波形。開始時增益不宜設得太高，一般可在1～5mV/pA，以免放大器飽和。由于細胞外液與電極內液之間離子成分的差異造成了液結電位，故一般電極剛入水時測試波形基線并不在零線上，須首先將保持電壓設置為0mV，并調節“電極失調控制“使電極直流電流接近于零。用微操縱器使電極靠近細胞，當電極前列與細胞膜接觸時封接電阻指示Rm會有所上升，將電極稍向下壓，Rm指示會進一步上升。通過細塑料管向電極內稍加負壓，細胞膜特性良好時，Rm一般會在1min內快速上升，直至形成GΩ級的高阻抗封...

現在這塊全新的芯片被放置在了跟前置放大器大小類似的小盒子中，便成就了這款全球較小的膜片鉗放大器ePatch。體積大幅縮減只是一個表面，由于細胞電信號在被電極記錄到后，直接進入了芯片，以較短的路徑直接從模擬信號轉變成了數字信號，在很大程度上減少了環境及電路噪音對信號的影響，所以這款放大器便可以輕易獲取非常高質量且穩定的電生理信號。ePatch體積只為42*18*78mm，重量200g，整套設備的大小只相當于傳統膜片鉗設備的前置放大器，可以輕松地放入衣服口袋。用USB接口連接電腦后即可使用，無需額外電源，連接和使用都極為簡便。沒有了占地方的放大器，數模轉換器以及相互連接的眾多電線，電源線等等，我們...

膜片鉗技術的發展∶全自動膜片鉗技術（Automated patch clamp technique）的出現標志著膜片鉗技術已經發展到了一個嶄新階段，從這個意義上說，前面所講的膜片鉗技術我們稱之為傳統膜片鉗技術（ Traditional patch clamp technique），傳統膜片鉗技術每次只能記錄一個細胞（或一對細胞），對實驗人員來說是一項耗時耗力的工作，不適合在藥物開發初期和中期進行大量化合物的篩選，也不適合需要記錄火量細胞的基礎實驗研究。全自動膜片鉗技術的出現在很大程度上解決了這些問題，它不僅通量高，一次能記錄幾個甚至幾十個細胞，而且從找細胞、形成封接、破膜等整個實驗操作實現了自...

高阻封接問題的解決不僅改善了電流記錄性能，還隨之出現了研究通道電流的多種膜片鉗方式。根據不同的研究目的，可制成不同的膜片構型。細胞吸附膜片(cell-attachedpatch)將兩次拉制后經加熱拋光的微管電極置于清潔的細胞膜表面上，形成高阻封接，在細胞膜表面隔離出一小片膜，既而通過微管電極對膜片進行電壓鉗制，分辨測量膜電流，稱為細胞貼附膜片。由于不破壞細胞的完整性，這種方式又稱為細胞膜上的膜片記錄。此時跨膜電位由玻管固定電位和細胞電位決定。因此，為測定膜片兩側的電位，需測定細胞膜電位并從該電位減去玻管電位。從膜片的通道活動看，這種形式的膜片是極穩定的，因細胞骨架及有關代謝過程是完整的，所受的...

離子通道的近代觀念源于Hodgkin、Huxley、Katz等人在20世紀30—50年代的開創性研究。在1902年，Bernstein創造性地將Nernst的理論應用到生物膜上，提出了“膜學說”。他認為在靜息狀態下，細胞膜只對鉀離子具有通透性；而當細胞興奮的瞬間，膜的破裂使其喪失了選擇通透性，所有的離子都可以自由通過。Cole等人在1939年進行的高頻交變電流測量實驗表明，當動作電位被觸發時，雖然細胞的膜電導大為增加，但膜電容卻只略有下降，這個事實表明膜學說所宣稱的膜破裂的觀點是不可靠的。1949年Cole在玻璃微電極技術的基礎上發明了電壓鉗位（voltage clamp technique）...

膜片鉗技術的發展∶全自動膜片鉗技術（Automated patch clamp technique）的出現標志著膜片鉗技術已經發展到了一個嶄新階段，從這個意義上說，前面所講的膜片鉗技術我們稱之為傳統膜片鉗技術（ Traditional patch clamp technique），傳統膜片鉗技術每次只能記錄一個細胞（或一對細胞），對實驗人員來說是一項耗時耗力的工作，不適合在藥物開發初期和中期進行大量化合物的篩選，也不適合需要記錄火量細胞的基礎實驗研究。全自動膜片鉗技術的出現在很大程度上解決了這些問題，它不僅通量高，一次能記錄幾個甚至幾十個細胞，而且從找細胞、形成封接、破膜等整個實驗操作實現了自...

電壓鉗技術，是20世紀初由Cole發明，Hodgkin和Huxley完善，其設計的主要目的是為了證明動作電位的產生機制，即動作電位的峰電位是由于膜對鈉的通透性發生了一過性的增大過程。但當時沒有直接測定膜通透性的方法，于是就用膜對某種離子的電導來**該種離子的通透性，膜電導測定的依據是電學中的歐姆定律，如膜的Na電導GNa與電化學驅動力（Em-ENa）和膜電流INa的關系GNa=INa/（Em-ENa）.因此可通過測量膜電流，再利用歐姆定律來計算膜電導，但是，利用膜電流來計算膜電導時，記錄膜電流期間的膜電位必須保持不變，否則膜電流的變化就不能**膜電導的變化。這一條件是利用電壓鉗技術實現的。下張...

離子通道結構研究∶目前，絕大多數離子通道的一級結構得到了闡明但根本的還是要搞清楚各種離子通道的三維結構，在這方面，美國的二位科學家彼得·阿格雷和羅德里克麥金農做出了一些開創性的工作，他們到用X光繞射方法得到了K離子通道的三維結構，二位因此獲得2003年諾貝系化學獎。有關離子通道結構不是本PPT的重點，可參考楊寶峰的<離子通道藥理學>和Hill的<lonicChannelsOfExcitableMembranes》。對離子通道功能的研究，主要采用記錄離子通道電流來間接反映離子通道功能，目前有如下兩種技術：電壓鉗技術（VoltageClamp），膜片鉗（patchcla...