膜片钳技术与离子通道药理学
膜片钳技术与离子通道药理学
膜片钳在药理学研究中的应用
膜片钳技术不仅对于细胞生物学领域的 发展以及对于阐明各种疾病的机制具有革 命性意义，而且开辟了一条探索药物作用 机制和发展新的更为有效药物的途径。正 如 诺 贝 尔 基 金 会 在 颁 奖 时 所 说 :“Neher 和 Sadmann的贡献有利于了解不同疾病机理, 为研制新的更为特效的药物开辟了道路” 。
药理学研究： 研究的药物，阻断剂、激动剂 或其它调制因素对通道活动的影响情况。
综合分析得出最后结沦．
膜片钳技术的优点
膜片钳技术实现了小片膜的孤立和高阻封 接的形成，由于高阻封接使背景噪声水平 大大降低，相对地增宽了记录频带范围， 提高了分辨率。另外,它还具有良好的机械 稳定性和化学绝缘性。而小片膜的孤立使 对单个离子通道进行研究成为可能。
膜片钳技术与离子通道药理学
（Patch clamp techniques & Ion channel pharmacology）
马腾飞
药理教研室
1991 Nobel基金会的颁奖评语：
膜片钳技术点燃了细胞和分子水平 的生理学研究的革命之火，为细胞生理 学的研究带来了一场革命性的变化，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。
OUTLINE
1、细胞电生理学 2、膜片钳技术及其应用 3、离子通道药理学
细胞电生理学 Electrophysiology
离子、离子通道
细胞兴奋
生物电信号
细胞电生理学
测量
细胞电生理学：揭示细胞的生理过程，用电 生理方法记录生物电活动
膜的“流动镶嵌模型”
细胞膜和离子学说建立（Hodgkin，et al . 1946年 ）
膜片钳实验室基本设备
细胞生物学的研究技术
单细胞凝胶电泳技术的操作步骤
1.制备第一层胶：100ml 0.8％正常熔点胶，加盖盖玻片，4℃固化10min 2.制备第二层胶：轻轻地去除盖玻片，在第一层胶上滴加75ul含1×10000 个细胞的0.6％低熔点胶（cell与凝胶比例为1：5），加盖盖玻片，4℃固 化10min； 3.裂解：去掉盖玻片，将凝胶浸入冰冷的碱性裂解液内（临用前加10％ DMAO，1％Triton X-100），4℃裂解1h； 4.取出玻片，用PBS缓冲液漂洗3次后置于水平电泳槽内，加入pH13的电 泳缓冲液（没过玻片2-3min），放置20min（黑闭）。 5.电泳：电压20V，300mA，30min 6.取出玻片，用PBS或Tris.Cl，pH7.5漂洗3次，每次3min； 7.染色：胶上滴加3ulEB，加盖盖玻片，24h检测。或者4℃，潮湿，闭光 的条件下保有胶片，观察时再染色，镜检。
光镜免疫金银细胞化学 原理示意图
பைடு நூலகம்
（一）水解酶 水解酶可分为五类即磷酸酶类、脂酶类、芳香基硫酸酯酶类、 糖苷酶类以及作用于肽键酶类。水解酶是催化水解的酶类，在超微结构水 平上显示酶的细胞化学方法都是以孵育阶段为中心，孵育液中一般都有酶 的反应底物和捕捉剂，反应的基本原理可分为两个步骤：1底物经过酶的 分解形成初级反应产物；2 初级反应产物和相应的捕捉剂形成一种不溶性 的化合物称为最终反应产物，这些最终反应产物是一些不溶性重金属沉淀 物（如铅、铜、钡等），在电镜下容易被检出。一般来说这些沉淀物在细 胞的位置就代表了酶促反应的位置。（二）氧化还原酶 氧化还原酶可分为 （ 氧化酶和脱氢酶两种。在氧化酶细胞化学反应中含有两个即分开又紧密联 系的底物，一个是生理底物如氧或过氧化氢；另一个是捕捉底物，通常是 四盐酸3，3’二氨基联苯胺（DAB）。DAB很容易氧化，经过一系列的化学 变化生成强嗜锇性的聚合物，在经锇酸固定就形成了锇黑。脱氢酶常用在 捕捉剂为铁氰化物，它在酶的作用下被还原为亚铁氰化物，在铜离子的存 在下进一步形成高度不溶的亚铁氰化铜沉淀。 。
2023年细胞生理学和膜片钳技术解析
膜片钳技术
• 膜片钳技术：从一小片(约几平方微米) 膜 获取电子学方面信息的技术，即保持跨膜 电压恒定——电压钳位，从而测量通过膜 离子电流大小的技术。通过研究离子通道 的离子流， 从而了解离子运输、信号传递 等信息。
基本原理
• 利用负反馈电子线路, 将微电极尖端所吸附 的一个至几个平方微 米的细胞膜的电位固 定在一定水平上,对通 过通道的微小离子电 流作动态或静态观察, 从而研究其功能。
• Voltage clamp （ 电 压 钳 技 术 ） 由 Cole 和 Marmont 发明，并很快由Hodgkin和Huxley完 善，真正开始了定量研究，建立了H－H模型 （膜离子学说),是近代兴奋学说的基石。
• 1948年，Katz利用细胞内微电极技术记录到了 终 板 电 位 ； 1969 年 ， 又 证 实 N － M 接 触 后 的 Ach以“量子式”释放，获1976年Nobel奖。
通道蛋白——离子通道
• 环核苷酸门控通道 气味分子与G蛋白偶联型受体结合，激活腺苷酸环化酶，
产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道（cAMP-gated cation channel），引起钠离子内流，膜去极化，产生神经 冲动，最终形成嗅觉或味觉。 • 机械门控通道
一类是牵拉活化或失活的离子通道，另一类是剪切力敏 感的离子通道，前者几乎存在于所有的细胞膜，研究较多 的有血管内皮细胞、心肌细胞以及内耳中的毛细胞等，后 者仅发现于内皮细胞和心肌细胞 • 水通道 2003年诺贝尔化学奖： Pete Agre、 Roderick MacKinnon
• 1976年，德国的Neher和Sakmann发明Patch Clamp（膜片钳）。并在蛙横纹肌终板部位记 录到乙酰胆碱引起的通道电流。
离子通道药理学
3．内向整流钾通道（inward rectifier K+ channels）
这类钾通道都具有内向整流特性，其中 比较重要的有三种：内向整流钾通道 （KIR），ATP敏感的钾通道(KATP)及 乙酰胆碱激活的钾通道（KAch）。
（1）内向整流钾通道（inward rectifier K+ channels）：该通道在心肌细胞称为 KIR（Kir2.1），其电流为Ik1。在心肌 细胞（心室肌），KIR通道也参与AP的 3相复极，但主要维持4相静息电位，防 止由于Na+-K+泵的作用使膜超极化大于 钾平衡电位（EK）。
（3）起博电流（pacemaker channels, If）
If是非特异性阳离子电流，即由一种 以上单价阳离子，如K+和Na+共同携带 的离子电流。是窦房结、房室结和希浦 系统的起搏电流之一。 If电生理特性：①If是由膜超极化激 活的随时间而逐渐增加的内向电流，其 阈电位在-50~-70mV左右；②If对Cs+敏 感，0.5mM Cs+几乎将If完全阻滞； ③肾 上腺素（Adr）促进 If的激活，If电流增 加，这是交感神经刺激加快心率的离子 基础之一；④If受乙酰胆碱（Ach）的调 节，Ach可抑制If，使心率减慢，故一般 认为副交感神经或迷走神经减慢心率的 机制是因为Ach抑制If的结果。Ach的作 用与Adr正相反。
三、离子通道的分子结构及门控机制
1．电压门控离子通道的分子结构
钠、钙和钾电压门控通道在分子结构上有许多相似之处，离子通 道蛋白是多亚基（subunits）构成的复合体。其中，构成孔道部分的 是α亚基。各种电压依赖的离子通道的α亚基均在膜上形成四个跨膜 区（D1-D4）,钠、钙通道的四个跨膜区由共价键连接成四倍体位于 同一肽链，整个亚基只有一个N-末端和一个C-末端。钾通道的α亚 基只有一个跨膜区，功能性钾通道是四个α亚基由非共价键连接而 成的四聚体。每个跨膜区由6个呈α螺旋式的跨膜片段 （transmembrane segmants, S1-S6）及其间的连结肽链所组成。连接 S5-S6的肽链部分贯穿于膜内，是形成亲水性孔道而有选择性地让离 子通过的部分，称为孔道区（pore region）或P区。另一个重要的肽 段是S4 , S4共带4～8个正电荷，当膜电位变化时，S4螺旋构型即发 生变化，通道开放，故S4被称为电压门控性离子通道的电压感受器 （voltage sensor）。
膜片钳的发展与应用
膜片钳技术的发展与应用崔梦梦（生命科学学院 1241410026）摘要：膜片钳技术是在电压钳技术的基础上发展起来的，该技术的核心是能够记录单一离子通道的电流。
膜片钳可以测量到0.06pA的电流，它具有1um的空间分辨率和10us的时间分辨率。
作为先进的细胞电生理技术，膜片钳一直被奉为研究离子通道的“金标准”。
应用膜片钳技术可以证实细胞膜上离子通道的存在并能对其电生理特性、分子结构、药物作用机稍等进行深入的研究。
此外，将膜片钳技术与其他一些先进的技术结合，使其在药理学、病理学、神经科学、脑科学、细胞生物学和分子生物学等生物科学方面,，得到了越来越广泛的应用。
关键词：膜片钳；离子通道；发展与应用在细胞膜上存在有许多的离子通道，这些离子通道是细胞兴奋性的基础，对细胞内以及细胞之间的信息传递起着非常重要的作用。
为探究离子通道的功能和结构，许多电生理技术被发明创造。
英国学者Huxley和Katz最早应用电压钳来研究细胞膜上离子通道的电流变化，但由于该技术钳制的细胞膜面积很大，包含着大量随机开放和关闭着的离子通道，因而不能测定单一离子通道电流。
所以在1976年德国神经生物学家Erwin Neher和Bert Sakmann 建立起一种新的技术，即膜片钳技术，并且逐渐取代了电压钳技术。
随着膜片钳技术的不断完善，自1981年以来, 该技术已经在不同动物的肝、脾、胃肠、心肌、骨骼肌、神经系统、内分泌等各类细胞上应用并取得了研究成果。
膜片钳技术点燃了细胞和分子水平的生理学研究的革命之火，给生命科学研究带来了巨大的前进动力。
一、膜片钳技术的基本原理膜片钳技术是利用玻璃微电极尖端经抛光后贴附于神经元膜上，与玻璃微电极尖端相接的膜仅含1—3个离子通道，然后通过负压吸引将这片膜与周围的膜实行高阻封接，因此在电极尖端覆盖下的那片膜，在电学上已于膜的其他部分相互分隔。
电极尖端下的膜通道开放所产生的电流流进玻璃微电极吸管，通过一极其敏感的膜片钳放大器，就可测量得到单一离子通道电流。
南京药理学膜片钳电生理技术原理
南京药理学膜片钳电生理技术原理
南京药理学膜片钳电生理技术是一种电生理研究技术，主要用于研究神经细胞或肌细胞的离子通道、离子泵等生理学特征。
该技术通过精细的电极制备和膜片吸附技术，可以在微小范围内对细胞膜上的离子通道做直接测量，从而探测细胞膜电位和电流。
该技术的原理是在一条微细的玻璃电极制成的药理学膜片上吸附悬浮的细胞，使细胞的膜紧贴于药理学膜片的通道上。
然后使用电生理技术进行实验，测量当细胞膜上某个离子通道开放时，离子的电流就会通过药理学膜片钳的电极进入记录器中，从而获得离子通道的电流、电位等信息。
同时，通过改变细胞膜上的离子浓度或加入药物，可以研究离子通道的特性，如激动、抑制、选择性等方面的生理学特征。
南京药理学膜片钳电生理技术在研究神经和肌肉等细胞膜上离子通道的生理学特征方面具有广泛的应用，如研究钙离子、钠离子、钾离子等离子通道的生理学特征，探索离子通道的结构及其功能解析等方面。
膜片钳实验与技术
汇报人：
通过施加电压或 药物刺激可以观 察到离子通道的 开放或关闭状态 从而了解离子通 道的电学特性和 药理学特性。
膜片钳实验原理的 应用广泛可用于研 究药物对特定离子 通道的作用机制和 效果以及研究细胞 生理和病理过程中 的离子通道变化。
准备实验器材：包括膜片钳放大器、微电极、细胞、溶液等
制作细胞膜片：使用微操纵器将微电极置于细胞膜表面形成封 接
膜片钳技术的未 来发展方向
神经科学：研究神经元电活动与行为之间的关系 药理学：筛选和验证药物作用靶点及效果 生理学：研究细胞生理功能及信号转导机制 病理学：探究疾病发生发展过程中细胞电生理变化
PRT THREE
膜片钳技术是通 过玻璃微电极记 录细胞膜单一离 子通道活动的技 术。
膜片钳实验原理 基于膜片钳夹持 技术能够将细胞 膜的某一离子通 道单独夹持在玻 璃微电极之间。
膜片钳技术将进一 步应用于研究神经 元功能和药物作用 机制
膜片钳技术有望在 基因治疗和细胞疗 法等领域发挥重要 作用
膜片钳技术将与新 型技术相结合提高 实验效率和精确度
膜片钳技术将为研 究生物电信号和离 子通道提供更深入 的见解
挑战：高精度的测量和控制技术 挑战：细胞类型特异性标记和分离技术 展望：结合新技术实现更高效和准确的膜片钳实验 展望：拓展膜片钳技术在生物医学领域的应用范围
膜片钳技术用于筛 选潜在药物候选物
膜片钳技术用于研 究药物对神经元信 号转导的影响
膜片钳技术用于研 究药物对心血管系动化与智能化：提高实验效率和准确度 新型材料的应用：提高膜片钳技术的稳定性和可靠性 跨学科融合：与其他领域的技术相结合拓展应用范围 标准化与规范化：推动膜片钳技术的普及和推广
PRT FIVE
膜片钳技术在心血管及药理学研究中的应用
．６９８．中国心血管病研究２００７年９月第５卷第９期Ｃｈｉｒ№ｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＣａｒｄｉｏｖａｓｃ“胁Ｒｅｖ如＂，Ｓｅ，ｔｅ舶ｅｒ２０Ｄ７，Ｖ０１．５，Ⅳ０．９膜片钳技术在心血管及药理学研究中的应用李妙龄曾晓荣（审校）国家教育部重点项目资助（０３１０９）作者单位：６４６０００四川Ｉ省，泸州医学院心肌电生理学研究室中图分类号Ｒ３３１．３＊８文献标识码Ａ文章编号１６７２—５３０１（２００７）０９－０６９８－０３膜片钳技术…是～种以记录通过细胞膜上的各种离子通道的离子电流来反映细胞膜上单一的或多个的离子通道活动的技术。
通过微电极与细胞膜之间形成紧密接触，采用电压钳或电流钳技术对生物膜上离子通道的电活动进行记录。
可测量１ＤＡ的电流灵敏度，１／ｓ．ｍ的空间分辨率和１０ｕｓ的时间分辨率，为从分子水平了解生物膜离子通道的开启和关闭、动力学选择性和通透性等膜信息提供了直接的手段。
膜片钳技术的发展不过２０多年时间【２】，但却广泛的应用于心血管生理学、病理生理学及药理学的研究中，使人们对心血管系统生理调节、分子水平的病理学改变及药物的作用机制有了更深的认识和研究手段，解决了大量的理论和实际问题。
膜片钳技术应用的影响是深远的，它是一类应用范围非常广泛的电生理学技术，它给电生理学和细胞生物学以及神经生理学的发展乃至整个生物学研究带来了～场新的革命。
随着它的进一步发展，膜片钳与分子生物学、激光共聚焦等技术的结合应用拓宽了它的应用前景。
本文拟对膜片钳的基本原理和其在心血管及药理学研究中的应用作一综述。
１膜片钳技术基本原理膜片钳技术是用一尖端光洁，直径约１ｐ，ｍ的玻璃微管电极与细胞膜表面在负压吸引下紧密接触，引成千兆欧封接，将吸附在微电极尖端开口处的那小片膜与其余部分的膜在电学上完全隔离开来，使小片膜中只包含一个或数个通道蛋白质分子，在此基础上固定电位，这样便可研究单个离子通道的活动【３】。
对这一小片膜上的离子通道的离子电流进行检测记录，故称为小片膜电压钳位技术（简称膜片钳）。
1991年诺贝尔生理医学奖膜片钳技术与单离子通道
膜内面向外模式 是在细胞吸附式的基础上, 用外 力使玻璃微电极连同尖端的膜片脱离细胞表面成 为游离的膜片, 这时玻璃微电极尖端的膜片暴露在 外的一面正是细胞膜的内表面, 膜片在玻璃微电极 内的一面是细胞膜的外表面。因此, 玻璃微电极内 应充灌细胞外液, 玻璃电极尖端则浸入细胞内液中。 膜片两侧的溶液可以随意更换。 膜外面向外模式是在全细胞模式的基础上, 用外力 使玻璃微电极连同尖端的一部分细胞膜脱离细胞 表面, 尖端的细胞膜游离部分自行合拢成脂双层膜, 这时玻璃微电极尖端的膜片在电极内的一面正好 是细胞膜的内表面, 暴露在外面的一面是细胞膜的 外表面。
第三步是对玻璃电极尖端进行加工, 用v 字型 铂铱合金电阻丝加热电极尖端，v 型电阻丝尖 端裹上一直径0.5 毫米的玻璃球。加热时电极 尖端收紧成圆滑的口, 此时电极尖端直径为 0.5-1微米, 电极的电阻为2-5兆欧。 要成功地形成一个高阻封闭, 首先要保证玻璃 微电极尖端的清洁, 在制作过程中要防尘, 实 验用的各种缓冲溶液使用前要过滤, 防止组织 碎片或结晶物质堵塞电极尖端。此外, 实验用 的细胞膜表面一定要光滑, 为了使电极尖端平 滑, 可以进行电极抛光, 使用抛光的电极形成 的密封比较稳定
1980年Neher、Sakmann合作发明了patch clamp技术， 该技术是一种广泛用于细胞生物学及神经科学研究的方 法，可藉以检验小至一万亿分之一安培的通过细胞膜的 电流。这一研究成果对于研究细胞功能的调控机制至关 重要，可揭示神经系统、肌肉系统、心血管系统及糖尿 病等多种疾病的发病机理，并提供治疗的新途径。 他们同在一个实验室，他们一道最终确认了细胞膜上 离子通道的存在，离子通道是一些具特征性的机制，有 的仅允许阳离子通过，有的仅允许阴离子通过，接着他 们研究了多种细胞功能，终于发现离子通道在糖尿病、 癫痫、某些心血管病.某些神经肌肉疾病中所引起的作用， 这些发现使研究新的更为特异性的药物疗法成为可能。
膜片钳技术及其在神经科学研究中的应用
膜片钳技术及其在神经科学研究中的应用膜片钳技术是一种在神经科学研究中广泛应用的技术，它可以用来记录和操纵神经元的电活动，为研究神经系统的功能和疾病提供重要的工具。
本文将介绍膜片钳技术的原理和应用，并探讨其在神经科学研究中的重要性。
膜片钳技术是一种通过在神经元的细胞膜上形成一个微小的孔洞，并利用微电极记录神经元内外的电位差的方法。
这种技术可以精确地记录神经元的动作电位，从而了解神经元的兴奋性和抑制性。
膜片钳技术的原理基于电生理学的基本原理，即神经元的电活动是由离子通道的开关控制的。
通过在神经元膜上形成一个微小的孔洞，可以通过微电极记录到神经元内外的电位差，从而了解离子通道的开关状态和神经元的电活动。
膜片钳技术在神经科学研究中有广泛的应用。
首先，它可以用来研究神经元的膜电位和动作电位。
研究人员可以通过在神经元膜上形成一个微小的孔洞，并利用膜片钳记录到神经元内外的电位差，从而了解神经元的电活动。
这对于研究神经元的兴奋性和抑制性非常重要，有助于理解神经元的工作原理和信息传递过程。
膜片钳技术还可以用来研究离子通道的功能。
离子通道是神经元膜上的蛋白质通道，它们控制着离子在神经元膜上的通透性，从而调节神经元的电活动。
通过利用膜片钳技术，研究人员可以记录到离子通道的电流，并分析离子通道的开关状态和功能特性。
这对于研究离子通道的结构和功能非常重要，有助于揭示离子通道与神经系统功能和疾病之间的关系。
膜片钳技术还可以用来研究突触传递和突触可塑性。
突触是神经元之间的连接点，通过突触传递神经信号。
膜片钳技术可以用来记录到突触传递的电位变化，并研究突触的功能特性和可塑性。
这对于理解神经系统的信息传递和学习记忆等高级功能非常重要。
在神经科学研究中，膜片钳技术的应用还包括单细胞蛋白质表达、药物筛选和基因编辑等方面。
通过将膜片钳技术与其他技术结合，研究人员可以进一步探索神经系统的功能和疾病机制，为神经科学研究提供更加全面和深入的理解。
细胞电生理学基本原理与膜片钳技术
细胞电生理学基本原理与膜片钳技术细胞电生理学是研究细胞内外电流、电压变化以及与生物学功能的关系的学科。
而膜片钳技术则是细胞电生理学中最重要的实验技术之一，用于测量细胞膜上离子通道的电流。
细胞电生理学的基本原理是通过测量细胞膜上的电位变化来研究细胞内外离子的分布和运动。
细胞膜是由脂质双层组成的，其中包含了各种离子通道和离子泵，这些离子通道和泵的开闭状态会导致细胞内外离子浓度的变化，从而产生电位的变化。
膜片钳技术是一种高精度的电生理记录技术，通过将玻璃微电极与细胞膜紧密接触，形成一个微小的隔离空间，从而可以测量细胞膜上的电位变化。
膜片钳技术主要包括两种形式：全细胞膜片钳和单通道膜片钳。
全细胞膜片钳技术是将玻璃微电极与细胞膜上的一个小区域接触，通过控制微电极与细胞膜的紧密接触程度，形成一个微小的隔离空间，从而可以记录到整个细胞膜上的电位变化。
全细胞膜片钳技术可以用来研究细胞内外离子浓度的变化、离子通道的活性以及细胞内外离子的转运等。
单通道膜片钳技术是将玻璃微电极与细胞膜上的某一个离子通道接触，通过控制微电极与细胞膜的紧密接触程度，形成一个微小的隔离空间，从而可以记录到单个离子通道的电流变化。
单通道膜片钳技术可以用来研究离子通道的电导率、选择性以及开闭状态等。
膜片钳技术的关键是保持微电极与细胞膜的紧密接触，这需要一定的技术和经验。
在进行膜片钳实验时，需要注意控制微电极与细胞膜的距离、微电极的阻抗以及细胞膜的稳定性等因素，以确保记录到准确的电位变化或电流变化。
膜片钳技术的应用非常广泛。
它可以用来研究离子通道的结构和功能，揭示离子通道与各种生物学功能的关系。
比如，通过记录钠通道的电流变化，可以研究神经细胞的兴奋性和抑制性传递过程；通过记录钾通道的电流变化，可以研究细胞的稳定性和兴奋性调节等。
膜片钳技术还可以用于药物筛选和药理学研究。
通过记录离子通道的电流变化，可以评估不同药物对离子通道的影响，从而筛选出具有特定药理作用的药物。
膜片钳技术原理及相关基本知识
膜片钳技术可以用于研究内分泌系统的电生理特性，了解激素分泌的 调节机制。
其他领域的应用
肿瘤学研究
膜片钳技术可以用于研究肿瘤细胞的 电生理特性，了解肿瘤的发生和发展 机制。
免疫学研究
膜片钳技术可以用于研究免疫细胞的 电生理特性，了解免疫反应的调节机 制。
THANKS
感谢观看
膜片钳技术可以用于药物筛选， 快速筛选出具有潜在治疗作用的 药物。
膜片钳技术可以用于研究药物对 离子通道的影响，了解药物的副 作用和不良反应。
生理学领域的应用
心血管系统研究
膜片钳技术可以用于研究心血管系统的电生理特性，了解心脏和血 管的电活动和功能。
呼吸系统研究
膜片钳技术可以用于研究呼吸系统的电生理特性，了解呼吸肌的电 活动和功能。
膜片钳技术的应用领域
生理学研究
研究细胞膜离子通道的电生理 特征和功能，揭示生理状态下
细胞膜电活动的规律。
药理学研究
研究药物对离子通道的作用机 制和效果，为新药研发提供实 验依据。
神经科学研究
研究神经元和神经网络的电活 动和信息传递机制，揭示神经 系统的工作原理。
疾病机制研究
研究疾病状态下细胞膜离子通 道的异常变化，为疾病诊断和
数据采集
使用膜片钳系统记录细胞膜 电位变化，通过放大器和记 录器获取数据。
数据筛选
排除异常或噪声数据，确保 数据质量。
数据转换
将原始数据转换为适合分析 的格式，如电压值或电流值 。
数据分析方法
统计分析
对数据进行统计分析，如平均值、标准差、相 关性等。
频谱分析
对数据进行频谱分析，以了解信号的频率成分。
膜片钳技术适用于多种细胞 类型，包括神经元、肌肉细 胞、上皮细胞等，具有广泛 的应用范围。
膜片钳技术及应用
膜片钳技术的应用领域
神经科学
研究神经元离子通道与动作电 位的产生和传播，以及药物对
神经元功能影响。
心血管
研究心脏离子通道与心律失常 的关系，以及抗心律失常药物 的作用机制。
药理学
研究药物对离子通道的作用机 制和效果，以及新药的开发和 筛选。
其他领域
膜片钳技术还可应用于内分泌 、免疫等领域，研究相关细胞
利用膜片钳技术，可以研究神经元在长期和短期内的电生理变化，了 解学习、记忆等认知过程的神经机制。
药物筛选与开发中的应用
药物作用机制的研究
膜片钳技术可以用于研究药物对离子通道或受体电流的影响，从 而揭示药物的作用机制。
药物筛选
通过膜片钳技术，可以在细胞或组织水平上快速筛选出具有特定 药理作用的药物候选物。
物或其他因素对细胞膜功能的影响。
03 膜片钳技术的应用实例
神经科学研究中的应用
神经元电活动的记录
膜片钳技术可以用来记录单个神经元在静息状态和刺激下的膜电位 变化，从而研究神经元的兴奋性和电生理特性。
突触传递的研究
通过膜片钳技术，可以记录突触后电位，研究神经递质释放、受体 激活和信号转导等过程。
神经可塑性的研究
在医学诊断与治疗中的应用
疾病诊断
膜片钳技术可用于检测细胞膜离子通道的异常变化，从而对某些 疾病进行早期诊断，如癌症、神经退行性疾病等。
药物研发
通过膜片钳技术可以研究药物对离子通道的作用机制，为新药研发 提供有力支持。
个体化治疗
根据患者的离子通道基因变异情况，膜片钳技术可以为个体化治疗 提供精准的用药建议。
高通量与高灵敏度
通过改进膜片钳技术的设计和材料，有望实现高通量和高灵敏度的检测， 从而能够同时记录多个细胞或同一细胞的不同活动，提高实验的效率和 精度。
膜片钳技术及其应用实例
2、CdCl2和NiCl2对小鼠生精细胞Ca2+电流的作用比较
激活曲线： 分析细胞膜电位的 变化引起激活离子 通道数的变化。半 数激活电压 (-49.430.62)mV， 斜率因子 (6.050.55)mV， 在-65mV到-10mV 通道开放。
Normalizedcurentamplitude/conductane
小鼠生精细胞T型Ca2+通道复活特征
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二、膜片钳技术
1976年 德国马普生物物理化学研究所Neher和Sakmann 在青蛙肌细胞上记录记录到ACh激活的单通道离子电流 1980年 Sigworth等用负压吸引，得到10-100GΩ的高 阻封接（Giga-seal），大大降低了记录时的噪声 1981年 Hamill和Neher等引进了膜片游离技术和全细 胞记录技术 1983年10月，《Single-Channel Recording》一书问 世，奠定了膜片钳技术的里程碑。
4、硝苯地平(nifedepine)对小鼠生精细胞T型钙电流的作用
不同浓度硝苯地平对小鼠 粗线期精母细胞T型Ca2+电 流的作用
在本试验条件下，我们记录到的小鼠生精细胞内向 电流经过通道电生理学特性和药理学特性两个角度 鉴定，证实记录到的为T型Ca2+电流，无L型Ca2+通道 电流成分。并结合精子发生特点，提示精子顶体反 应时Ca2+的内流主要由胞膜T型Ca2+通道完成。
细胞电生理学与膜片钳技术资料
膜片钳技术实现膜电位固定的关键 是在玻璃微电极尖端边缘与细胞膜之间 形成高阻（ 10ＧΩ ）密封,使电极尖端开 口处相接的细胞膜片与周围环境在电学 上隔离,并通过外加命令电压钳制膜电位。
由于玻璃微电极尖端管径很小,其下膜面 积仅约1μｍ2,离子通道数量很少,一般只有一 个或几个通道,经这一个或几个通道流出的离 子数量相对于整个细胞来讲很少 , 可以忽略 , 也就是说电极下的离子电流对整个细胞的静 息电位的影响可以忽略 , 那么 , 只要保持电极 内电位不变,则电极下的一小片细胞膜两侧的 电位差就不变,从而实现电位固定。
• 为研究化学门控性通道性质，我国学者秦 达 意 采 用 oil-gate concentration jump method ，配合膜片钳记录和分析离子通 道在各种化学条件下的开放与关闭以及激 活与失活的动态过程。
选择性（selectivity） 门控性（gating）
研究技术：
膜片钳技术和分子克隆技术
通道蛋白——离子通道
• 配体门控通道 阳离子通道：乙酰胆碱、谷氨酸、五羟色胺受体 阴离子通道：甘氨酸和γ－氨基丁酸受体
乙酰胆碱受体
通道蛋白——离子通道
• 电压门控通道：钾、钠、钙离子通道
电压门控钾离子通道
通道蛋白——离子通道
磷脂双层的 屏蔽作用
Na-K 泵
离子的跨膜分布
[K+]o << [K+]i [Na+]o >> [Na+]i
离子通道
(ion channels)
离子通道是细胞膜上的一种特殊整合蛋白，对某 些离子（K+、Na+、Ca2+等）能选择通透，其功能是细 胞生物电活动的基础。
膜片钳技术的发展及应用
膜片钳技术的发展及应用生命科学学院2010级李积锋1241410007【摘要】膜片钳技术是一种广泛应用于生命科学研究的先进电生理技术，为解决生物信息的跨膜信号传导为题提供了先进的研究手段。
膜片钳技术是在电压钳技术的基础上发展起来的,来反映细胞膜上离子通道活动的一项技术。
它对通过离子通道的离子电流进行记录,目前已发展出多种记录模式,广泛应用于神经科学、药理学、细胞生物学、生理学和分子生物学等学科领域。
概括了膜片钳技术的基本原理,归纳出该技术的主要操作步骤,并对其发展与应用进行了总结。
【关键词】膜片钳离子通道电生理1976年[1]德国马普生物物理研究所Neher和Sakmann创建了膜片钳技术。
这是一种以记录通过离子通道的离子电流来反映细胞膜单一的或多个的离子通道分子活动的技术。
它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。
这一伟大的贡献，使Neher和Sakmann获得1991年度的诺贝尔生理学与医学奖。
细胞是动植物和人体的基本组成单元，离子通道是细胞与外界以及与细胞内通信的重要手段。
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方法进行测量，因而形成了一门学科—细胞电生理学。
最近50年，三次主要的技术革命推动了细胞电生理学的进展：细胞内记录，电压钳技术和膜片钳技术。
一．膜片钳技术发展历史1976年德国马普生物物理化学研究所Neher和Sakmann首次在青蛙肌细胞上用双电极钳制膜电位的同时，记录到ACh激活的单通道离子电流，从而产生了膜片钳技术。
1980年Sigworth等在记录电极内施加5-50 cmH2O的负压吸引，得到10-100GΩ的高阻封接，大大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。
细胞膜膜片钳位技术与离子通道药理学
细胞膜膜片钳位技术与离子通道药理学
汪海;刘传缋
【期刊名称】《国际药学研究杂志》
【年(卷),期】1992(19)2
【摘要】细胞膜膜片钳位技术是80年代初才完善起来的一项生物高技术,具有
1pA电流测量灵敏度、10μs时间分辨率,可直接记录细胞膜离子单通道的活动,研究其“开”、“闭”动力学、离子通透性及选择性。
本文介绍细胞膜膜片钳位技术在离子通道药理学研究中的应用。
【总页数】4页(P65-68)
【作者】汪海;刘传缋
【作者单位】军事医学科学院
【正文语种】中文
【中图分类】R966
【相关文献】
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