全细胞膜片钳单细胞

膜片钳技术的创立取代了电压钳技术，是细胞电生理研究的一个飞跃，使得离子通道的研究，从宏观深入到微观，使昔日的“肉汤生理学(broth physiology)”与“闪电生理学(lightning physiology)”在分子水平上结合起来，使人们对膜通道的认识耳目一新。当前，生理学、生物物理学、生物化学、分子生物学和药理学等多种学科正在把膜片钳技术和膜通道蛋白重组技术、同位素示踪技术和光谱技术等非电生理技术结合起来，协同对离子通道进行较全的研究。不少实验室已经将基因工程与膜片钳技术结合起来，把通道蛋白有目的地重组于人工膜中进行研究。设想将合成的通道蛋白分子接种入机体以替换有缺陷和异常的通道的功能而达到的目的。这一技术的发现和基因克隆技术并架齐驱，给生命科学研究带来了巨大的前进动力。全细胞膜片钳单细胞

离子通道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，离子和离子通道是细胞兴奋的基础，亦即产生生物电信号的基础，生物电信号通常用电学或电子学方法进行测量。由此形成了一门细胞学科—电生理学（electrophysiology）。膜片钳技术已成为研究离子通道的"金标准"。电压门控性离子通道∶膜上通道蛋白的带点集团在膜电位改变时，在电场的作用下，重新分布导致通道的关闭，同时有电荷移动，称为门控电流。配体门控离子通道∶神经递质（如乙酰胆碱）、***等与通道蛋白上的特定位点结合，引起蛋白构象的改变，导致通道的打开。机械门控离子通道∶机械牵拉其他。芬兰细胞膜片钳电生理技术由此形成了一门细胞学科—电生理学，即是用电生理的方法来记录和分析细胞产生电的大小和规律的科学。

1976年德国马普生物物理化学研究所Neher和Sakmann在青蛙肌细胞上用双电极钳制膜电位的同时，记录到ACh启动的单通道离子电流，从而产生了膜片钳技术。1980年Sigworth等在记录电极内施加5-50cmH2O的负压吸引，得到10-100GΩ的高阻封接（Giga-seal），明显降低了记录时的噪声实现了单根电极既钳制膜片电位又记录单通道电流的突破。1981年Hamill和Neher等对该技术进行了改进，引进了膜片游离技术和全细胞记录技术，从而使该技术更趋完善，具有1pA的电流灵敏度、1μm的空间分辨率和10μs的时间分辨率。1983年10月，《Single-ChannelRecording》一书问世，奠定了膜片钳技术的里程碑。Sakmann和Neher也因其杰出的工作和突出贡献，荣获1991年诺贝尔医学和生理学奖。

全细胞记录构型(whole-cell recording) 高阻封接形成后，继续以负压抽吸使电极管内细胞膜破裂，电极胞内液直接相通，而与浴槽液绝缘，这种形式称为“全细胞”记录。它既可记录膜电位又可记录膜电流。其中膜电位可在电流钳情况下记录，或将玻管连到标准高阻微电极放大器上记录。在电压钳条件下记录到的大细胞全细胞电流可达nA级，全细胞钳的串联电阻(玻管和细胞内部之间的电阻)应当补偿。任何流经膜的电流均流经这一电阻，所引起的电压降将使玻管电压不同于细胞内的真正电位。电流愈大，愈需对串联电阻进行补偿。全细胞钳应注意细胞必需合理的小到其电流能被放大器测到的范围(25～50 nA)。减少串联电阻的方法是玻管尖要比单通道记录大。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。

对电极持续施加一个1mV、10～50 ms的阶跃脉冲刺激，电极入水后电阻约4～6MΩ，此时在计算机屏幕显示框中可看到测试脉冲产生的电流波形。开始时增益不宜设得太高，一般可在1～5mV/pA，以免放大器饱和。由于细胞外液与电极内液之间离子成分的差异造成了液结电位，故一般电极刚入水时测试波形基线并不在零线上，须首先将保持电压设置为0mV，并调节“电极失调控制“使电极直流电流接近于零。用微操纵器使电极靠近细胞，当电极前列与细胞膜接触时封接电阻指示Rm会有所上升，将电极稍向下压，Rm指示会进一步上升。通过细塑料管向电极内稍加负压，细胞膜特性良好时，Rm一般会在1min内快速上升，直至形成GΩ级的高阻抗封接。一般当Rm达到100MΩ左右时，电极前列施加轻微负电压(-30～-10mV)有助于GΩ封接的形成。此时的现象是电流波形再次变得平坦，使电极超极化由-40到-90mV，有助于加速形成封接。为证实GΩ封接的形成，可以增加放大器的增益，从而可以观察到除脉冲电压的首尾两端出现电容性脉冲前列电流之外，电流波形仍呈平坦状。维持细胞正常形态和功能完整性。单电极膜片钳

在细胞膜的电兴奋过程中，脂质层膜电容的反应是被动的，其电流电压曲线是线性的。全细胞膜片钳单细胞

电压钳的缺点∶电压钳技术目前主要用于巨火细胞的全细胞电流研究，特别在分子克隆的卵母细胞表达电流的鉴定中发挥其它技术不能替代的作用。但也有其致命的弱点1、微电极需刺破细胞膜进入细胞，以致造成细胞浆流失，破坏了细胞生理功能的完整性;2、不能测定单一通道电流。因为电压钳制的膜面积很大，包含着大量随机开放和关闭着的通道，而且背景噪音大，往往掩盖了单一通道的电流。3、对体积小的细胞（如哺乳类***元，直径在10-30μm之间）进行电压钳实验，技术上有更大的困难。由于电极需插入细胞，不得不将微电极的前列做得很细，如此细的前列致使电极阻抗很大，常常是60～-8OMΩ或120～150MΩ（取决于不同的充灌液）。这样大的电极阻抗不利于作细胞内电流钳或电压钳记录时在短时间（0.1μs）内向细胞内注入电流，达到钳制膜电压或膜电流之目的。再者，在小细胞上插入的两根电极可产生电容而降低测量电压电极的反应能力。全细胞膜片钳单细胞