膜片钳技术的发展和应用
膜片钳实验与技术
汇报人：XX
单击输入目录标题 膜片钳实验原理 膜片钳实验操作流程 膜片钳实验数据分析 膜片钳实验的应用实例
膜片钳实验的未来发展与挑战
添加章节标题
膜片钳实验原理
膜片钳技术的基本原理
膜片钳实验原理：通过玻璃微电极接触细胞膜，记录单一离子通道活动的 电位变化，从而研究细胞膜离子通道的特性。
膜片钳实验操作步骤
准备实验器材：包括膜片钳 放大器、微操纵器、微电极、
细胞夹持器等
添加标题
细胞贴片稳定：等待细胞贴 片稳定后，进行下一步操作
添加标题
开启膜片钳放大器：开启放 大器，调节放大器参数，确 保记录到有效的膜电流信号
数据记录：记录膜电流信号， 进行分析和处理
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
新型膜片钳技术的研发，提高实验效率和准确性 应用人工智能技术，实现自动化数据分析与处理 结合其他技术手段，拓展膜片钳技术的应用领域 持续优化膜片钳设备，降低实验成本，提高普及率
膜片钳实验在多学科交叉中的应用前景
神经科学领域：研究神经元电活动与行为之间的联系 生理学领域：研究生物体的生理功能和机制 药理学领域：研究药物对细胞膜通道的影响和作用机制 生物医学工程领域：开发新型膜片钳技术，提高实验的灵敏度和特异性
膜片钳技术的特点：高灵敏度、高分辨率和高时间分辨率，能够记录单个 离子通道的活动。
膜片钳技术的应用范围：研究细胞膜离子通道的生理功能、药理作用和药 物作用机制等。
膜片钳实验的影响因素：电极内液的成分、温度、细胞内外的离子浓度和 pH值等。
膜片钳实验的应用范围
神经科学：研究神经细胞的电生理特性 药理学：药物对膜通道的影响 生理学：研究生物膜的离子通道功能 病理学：研究疾病状态下膜通道的异常变化
膜片钳技术及其发展概况烟台绿叶
（3）使用的标本种类繁多 从最早的肌细胞（心肌、平滑肌、骨骼肌）、神经元和
内分泌细胞发展到血细胞、肝细胞、耳窝毛细胞、胃壁细胞、 上皮细胞、内皮细胞、免疫细胞、精母细胞等多种细胞；从 急性分散细胞和培养细胞（包括细胞株）发展到组织片（如 脑片、脊髓片）乃至整体动物；从蜗牛、青蛙、蝾螈、爪蟾 卵母细胞发展到昆虫细胞、鸡细胞、大鼠细胞、人细胞等等； 从动物细胞发展到细菌、真菌以及植物细胞。此外，膜片钳 技术还广泛地应用到平面双分子层（Planar bilayer）、脂质 体（Liposome）等人工标本上。
数模/模数转换器 高速、低噪音的Digidata 1440A
pClamp 10数据采集分析软件
PatchMaster采样软件
正置显微镜
组织薄片 盲法膜片钳－ 普通解剖显微镜 可视膜片钳－ DIC显微镜
IR-DIC显微镜 （Olympus BX51, Nikon FN-1）
显微镜X-Y移动台与支撑平台
（4）研究对象已经不局限于离子通道 从对离子通道（配体门控性、电压门控性、第二信使介导的
离子通道、机械敏感性离子通道以及缝隙连接通道等等）的研究 发展到对离子泵、交换体以及可兴奋细胞的胞吞、胞吐机制的研 究等。
（5）膜片钳电极已经不单单是传统意义上的电信号记录电极 它还作为其它研究方法的工具使用，如用于进行单细胞
1983 年 10 月 ， Sakmann 和 Neher 主 编 的 《Single-Channel Recording》一书问世，对当时的膜片钳技术进行了全面、 系统的总结，从此奠定了膜片钳技术的里程碑。
1995年，《Single-Channel Recording》一书再版，增添了 大量膜片钳技术的新内容，几乎当时国际上所有的知名膜 片钳专家都参与了编写，成为目前膜片钳技术研究领域的 最经典著作。
膜片钳实验技术(高级生理课程,201310)
Sutter公司微电极拉制器
P-97
P-2000
日本成茂公司微电极拉制器和抛光仪
软件系统：目前的数据采集和分析软件系统主要是 Axon公司的Pclamp软件和HEKA公司的Patch Master 软件。在实验后期文章发表中还涉及到一些图形处 理软件，如Origin等软件。
MDC公司Pclamp采集和分析软件
膜片钳放大器的工作模式： (1).电压钳模式：在钳制细胞膜 电位的基础上改变膜电位，记 录离子通道电流的变化，记录 的是诸如通道电流；EPSC;IPSC 等电流信号。是膜片钳的基本 工作模式. (2).电流钳模式:向细胞内注入 刺激电流，记录膜电位对刺激 电流的反应。记录的是诸如动 作电位，EPSP;IPSP等电压信号。
AXON200B
MultiClamp700B
EPC10
数据采集、分析系统
光学部件和光电接口：膜片钳实验是一 个微操作实验，需在显微镜下进行玻璃 电极和细胞的封接，因此需要高质量的 显微镜和成像系统，如果所用的细胞是 培养的单个细胞，需要一台倒臵相差显 微镜，而如果所用的标本是脑片或其他 组织片，所用的光学系统必须是红外微 分干涉差成像系统，这样才能“看”到 组织中的单个的细胞，才能在可视条件 下进行组织膜片钳的操作。
膜片钳记录模式
————————
细胞吸附模式
Cell-attached mode; on-cell mode 细胞内环境保持正常条件下可对离子通道的活 动进行观察记录。 到达与电极接触的膜片外部，如果刺激浴液中 加入刺激物质不能有效，则说明刺激物质是经 过细胞内第二信使介导间接起作用。 不能人为直接控制细胞内环境条件，不能确切 判定细胞内电位，不清楚膜片上的实效电位。
+
膜片钳技术的发展及其应用
第27卷 第2期 运城学院学报V o.l27 N o.2 2009年4月 Journa l of Y uncheng U n i versity Apr.2009膜片钳技术的发展及其应用曹建斌(运城学院生命科学系,山西运城044000)摘 要: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;发展及应用中图分类号:Q424 文献标识码:A 文章编号:1008-8008(2009)02-0053-03细胞是构成生物体的基本单位。
在细胞的外周有一层以脂类和蛋白质分子为主要成分的细胞膜,在细胞膜上存在有多种离子通道,细胞通过这些通道与外界进行物质、能量和信息的交流。
离子通道是细胞兴奋性的基础,在细胞内及细胞与细胞之间的信号传递中起着非常重要的作用。
对离子通道的研究来源于生理学实验,英国学者H uxley和K atz[1]最早应用电压钳来研究细胞膜上离子通道的电流变化,但由于该技术对细胞的损伤大,难以使细胞膜各处的生理特性保持一致,因而逐渐被膜片钳技术所取代。
膜片钳技术为生物膜离子通道的门控动力学研究和不同离子通道的通透性以及细胞的生理特性研究提供了直接的手段。
1.膜片钳技术的基本原理膜片钳技术(patch-cla m p techni que)是在电压钳技术的基础上发展起来的,采用记录流过离子通道的离子电流,来反映细胞膜上单一的(或多个的)离子通道分子活动的技术。
该技术可将一尖端经加热抛光的玻璃微电极管吸附只有几平方微米的细胞膜,在玻璃电极尖端边缘与细胞膜之间形成高阻封接,因而可通过微电极直接对膜片(细胞膜小区域)进行电压钳制,而无需使用其它微电极(如图1)。
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。
patch clamp膜片钳技术的原理和应用(超全的哦)
第二部分
一：应用学科
膜片钳技术的应用
膜片钳技术发展至今，已经成为现代细胞电生理的常规 方法，它不仅可以作为基础生物医学研究的工具，而且直 接或间接为临床医学研究服务， 目前膜片钳技术广泛应用于神经（脑）科学、心血管科 学、药理学、细胞生物学、病理生理学、中医药学、植物 细胞生理学、运动生理等多学科领域研究。 随着全自动膜片钳技术（Automatic patch clamp technology）的出现，膜片钳技术因其具有的自动化、高 通量特性，在药物研发、药物筛选中显示了强劲的生命 力。
5.对药物作用机制的研 在通道电流记录中，可分别于不同时间、不同部位（膜内 或膜外）施加各种浓度的药物，研究它们对通道功能的可 能影响，了解那些选择性作用于通道的药物影响人和动物 生理功能的分子机理。这是目前膜片钳技术应用最广泛的 领域，既有对西药药物机制的探讨，也广泛用在重要药理 的研究上。如开丽等报道细胞贴附式膜片钳单通道记录法 观测到人参二醇组皂苷可抑制正常和“缺血”诱导的大鼠大 脑皮层神经元L-型钙通道的开放，从而减少钙内流，对缺 血细胞可能有保护作用。陈龙等报道采用细胞贴附式单通 道记录法发现乌头碱对培养的Wistar大鼠心室肌细胞L-型 钙通道有阻滞作用。
膜片钳技术及其应用
膜片钳技术可以用于研究细胞信号转导过程中离子通道和受体的变 化，了解信号转导的机制。
细胞功能调控的研究
膜片钳技术可以用于研究细胞功能调控的机制，例如细胞兴奋性的 调节和细胞内离子浓度的变化。
04 膜片钳技术的优势与局限 性
膜片钳技术的优势
高灵敏度
细胞无损
膜片钳技术具有高灵敏度，能够检测单 个离子通道的活动，从而提供关于细胞 膜电位和离子通道功能的重要信息。
膜片钳技术可以在保持细胞完整性的 情况下进行实验，不会对细胞造成严 重损伤或干扰细胞的正常功能。
实时监测
膜片钳技术可以对细胞膜电位进行实时 监测，从而了解离子通道的动态变化， 有助于深入理解细胞生理和病理过程。
膜片钳技术的局限性
1 2 3
实验条件要求高
膜片钳技术需要高精度的实验设备和条件，包括 低温、低噪声和低阻抗等，这增加了实验的难度 和成本。
03
04
05
膜片钳放大器
微操纵器
细胞培养皿或显 微镜载玻片
电极溶液
细胞内和细胞外 灌流液
用于放大细胞膜电信号， 提高信号的检测灵敏度。
用于精确控制电极的移动 ，以便在细胞膜上定位和 进行膜片钳实验。
用于培养和固定细胞，以 便进行膜片钳实验。
用于填充电极，以保持电 极的湿润和导电性。
用于维持细胞内外环境的 稳定，并排除干扰实验的 物质。
03
在单细胞水平上研究细胞信号转导和离子通道功能，深入了 解细胞生理和病理过程。
膜片钳技术与其他技术的联合应用
结合光学成像技术，利用膜片钳技术对神经元电生理特性进行同时监测和成像，实现多参数的同时测 量。
与基因编辑技术结合，利用膜片钳技术对特定基因表达的离子通道进行功能研究，深入了解基因与离子 通道的关系。
膜片钳技术
测试题：
1. 膜片钳的主要记录方式有哪几种，各
有何优缺点? 2. 什么叫整流，产生整流的原因是什么？
膜的被动反应
离子通道开放 膜的主动反应
外向整流
随膜电位的去极化，I-V曲线明显向Y轴（电流轴）靠 近。如IK电流。
内向整流
随膜电位的去极化，I-V曲线明显向X轴（电压轴）靠 近。如烟碱电流。
去极化方向
去极化方向
IK电流的外向整流
烟碱电流的内向整流
尾电流（Tail current）
指通道在激活因素结束时的关闭过程中，所记录
6. 基本概念及参数设置
输入漏电流（Input leakage current）
理论上讲，不施加外部命令时，通过放大 器探头的电流应该为0，如果由于放大器本 身的原因产生了电流，这就是漏电流。由于 放大器控制电流漂移的质量很高，一般漏电 流都很小。
封接电流（Seal current）
由于封接质量不高（没有形成良好的高 阻封接），从封接处产生的电流。成为噪 声。
第三部分
全细胞记录结果举例
+80mV
+40mV
0mV
-40mV
-80mV 200ms
Iso Hypo
Current Density (pA/pF)
-40
60
30
0 -80 0 -30 40 80
Voltage (mV)
-60
Iso 4 Iso 2 Hypo Hypo
Current (nA)
0
倒 置 相 差 显 微 镜
EPC-7膜片钳放大器(德国)
4. 膜片钳的记录方式及基本操作
细胞吸附式（Cell-attached
膜片钳技术及应用
制备玻璃微电极
拉制微电极 材料：硼硅酸盐毛细玻璃管。 要求：玻璃毛胚外径1.3~1.7㎜，内径1.0~1.2
㎜，壁的厚度在0.2㎜以上。管壁越厚，拉 制出的电极尖端管壁也越厚，电极的跨壁 电容就越小，噪声也就越低。
玻璃微电极及膜片的几何形状
电极拉制仪
拉制方法：两步拉制法。
第一步：使玻璃软化，并拉开一个距离，形 成一个细管，即拉制电极的颈部；
高阻封接形成的电流图
膜片钳技术四种基本记录模式
细胞吸附膜片(cell-attached patch) 将两次拉制后经加热抛光的微管电极置于
清洁的细胞膜表面上，形成高阻封接，在细 胞膜表面隔离出一小片膜，既而通过微管电 极对膜片进行电压钳制，高分辨测量膜电流， 称为细胞贴附膜片。由于不破坏细胞的完整 性，
膜片钳技术
向细胞内注射恒定或变化的电流刺激， 纪录由此引起的膜电位的变化，这叫做电流 钳技术。在具体实验中，可通过给予细胞一 系列电流脉冲刺激，诱发细胞产生动作电位。
电压钳技术是通过向细胞内注射一定的
电流，抵消离子通道开放时所产生的离子流， 从而将细胞膜电位固定在某一数值。由于注 射电流的大小与离子流的大小相等、方向相 反。因此它可以反映离子流的大小和方向。
电极液的充灌
对于尖端较细的玻璃微电极，膜片钳实 验中常用的方法是：在微电极尾部施加负压 使尖端充灌电极内液，然后用注射器在微电 极尾部充灌电极内液，最后轻弹微电极杆步 使其内的气泡排出。
充灌长度为电极的1/3。
制备细胞标本
从理论上来讲，膜片钳实验用的细胞标 本可来自体内各种组织细胞，只要细胞表面 光滑，能与微电极尖端形成高阻封接即可。 但在标本制备上，不同组织细胞间联接牢固 程度不同，采用的分离方法也不完全相同。 大体上包括冲洗、酶解消化或机械分离以及 清洗等步骤。
膜片钳技术
膜片钳技术膜片钳技术是一种用于夹持和夹持薄膜材料的高精度工具。
它被广泛应用于各种领域，包括医疗、电子、航空航天、光学等。
本文将介绍膜片钳技术的原理、应用、优势和未来发展方向。
膜片钳技术的原理是利用薄膜的柔性和弹性特性，将其夹持在两个夹持片之间，通过施加适当的压力来固定和控制膜片。
它的结构简单，通常由两个平行的金属夹持片组成，夹持片之间有一层薄膜，可以是金属、塑料或橡胶材料。
膜片钳技术在医疗领域中广泛应用于微创手术。
它可以用于夹持和处理各种组织样本，如血管、肾脏、肺部等。
膜片钳可以通过精确控制夹持力来保护脆弱的组织，减少手术风险和创伤。
此外，膜片钳还可以用于制作微小的缝线和缝合器，用于手术缝合和内脏重建。
在电子领域，膜片钳技术用于处理和夹持微小的电子元件。
由于膜片钳的夹持力可调节且均匀，它可以用于精确地定位和安装电子组件，确保元件之间的准确对齐和联系。
此外，膜片钳还可以用于处理柔性电路板和柔性显示屏等薄膜电子产品，保证其完整性和性能。
在航空航天领域，膜片钳技术用于夹持和固定航天器表面的绝热膜。
夹持膜片的合适压力可以确保膜片与表面的紧密贴合，提供良好的隔热性能，减少航天器受到的热能损失。
此外，膜片钳还可以用于夹持航天器的其他部件和设备，确保它们在运行过程中的稳定性和可靠性。
在光学领域，膜片钳技术用于夹持和夹持光学元件，如透镜、棱镜和滤光片。
膜片钳的夹持力和表面平整度可以确保光学元件的精确定位和对准度，从而提供高质量的光学性能和成像效果。
此外，膜片钳还可以用于夹持光学材料的样本，如光学薄膜和光学纤维，用于实验和测试。
膜片钳技术具有许多优势。
首先，它具有高精度和可调节的夹持力，可以适应不同材料和应用的要求。
其次，膜片钳结构简单，易于制造和操作。
此外，膜片钳具有快速响应和高灵敏度的特性，可以快速调整和控制夹持力。
最重要的是，膜片钳技术可以保护薄膜材料的完整性，减少损伤和污染的风险。
未来，膜片钳技术有许多发展方向。
膜片钳
膜片钳技术及其应用21世纪被称为生物学世纪，近数十年来，生命科学与生物技术取得了迅猛发展。
任何一项新的生物技术的诞生，均意味着生命科学的某个或某些领域将获得新的生命，其内容和内涵将得到扩大和延伸。
膜片钳技术的创建也为生命科学的研究带来了一场革命性的变化。
简介细胞是动物和人体的基本组成单元。
细胞外围有一层薄膜，彼此分离又互相联系。
细胞间与细胞内的通信，主要依靠其膜上的离子通道来进行。
离子和离子通道是细胞兴奋性的基础，亦即产生生物电现象的基础。
生物电信号通常是用电学或电子学方法进行测量，由此形成一门用以揭示细胞生理过程的细胞电生理学。
早期的研究多使用双电极电压钳技术作胞内记录，自40年代末细胞膜和离子学说建立以来，细胞电活动的研究逐渐深入。
在1976～1981年期间，两位德国细胞生物学家Erwin Neher和Bert Sakmann所开创的膜片钳技术（patch clamp technique）为细胞生理学的研究带来了一场革命性的变化，膜片钳实验技术是对细胞和分子水平的生理学研究方法的一次革命，因而两位科学家于1991年荣获诺贝尔生理学或医学奖。
膜片钳实验技术为生理学、神经科学、细胞生物学等生命科学专业的研究和发展带来了新的生命。
膜片钳技术的发展历史膜片钳技术的发展历史也是一个科学的发展历程，回顾此过程或许对我们现在的研究和对问题的看法有所启示。
膜片钳技术的创立是建立在前人发明的电压钳(V oltage-clamp)和电流钳（Current-clamp）以及玻璃微电极(Glass micro-pipettee)的基础之上。
电压钳首先是由George Marmont和美国学者Kenneth S. Cole等提出，随后英国学者Alan L. Hodgkin、Andrew F. Huxley和Bernard Katz等最先应用的。
早在19世纪末20世纪初，Julius Bernstein就神经的电脉冲提出了“细胞膜假说”（membrane hypothesis）（1902和1912年），推测神经细胞的静息电位（resting potential）是由细胞膜对K＋离子的选择性通透所形成，而神经元的兴奋（即动作电位，action potential）是由于细胞膜对K＋离子的选择性通透性丧失所造成。
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。
膜片钳技术及应用
膜片钳技术及应用膜片钳技术及应用是一种常见的力学装置，由薄膜片、夹持手柄和支撑结构组成。
膜片钳可用于夹持和固定物体，并且在广泛的领域中有着重要的应用。
下面将对膜片钳的技术原理和应用领域进行详细介绍。
膜片钳的技术原理主要基于材料的力学性质。
一般情况下，膜片钳采用弹性薄膜片作为夹持物体的夹持部分。
当施加外力使薄膜片发生形变时，薄膜片会产生力与形变量成正比的特性，这种力被称为弹性力。
通过调整薄膜片的形变程度和位置，可以达到对不同物体的夹持和固定的目的。
膜片钳的应用领域非常广泛。
以下是一些常见的应用领域：1. 医疗行业：膜片钳被广泛用于医疗器械的设计和制造。
例如，在手术中，膜片钳可以用于夹持和固定组织、血管和器官，以便医生进行手术操作。
膜片钳的特点是夹持力均匀，不会损伤组织和血管。
2. 实验室研究：膜片钳在实验室研究中也有广泛的应用。
例如，在细胞学研究中，膜片钳可以用于夹持、拉伸和操纵细胞，以研究细胞的力学特性和细胞间的相互作用。
此外，膜片钳还可以用于微流体实验中的液滴操纵和胶体粒子的固定。
3. 微机电系统（MEMS）：膜片钳是制作微机电系统中常用的工具。
在MEMS 器件制造过程中，需要对微米级物体进行精确操纵和固定。
膜片钳结构简单，加工工艺成熟，可以实现对微米级物体的夹持和固定。
4. 机械制造：膜片钳在机械制造过程中也有重要的应用。
例如，在精密加工中，膜片钳可以用于夹持和固定零件，以确保加工精度。
另外，膜片钳还可以用于装配过程中的夹持和定位。
总的来说，膜片钳技术及其应用在医疗、实验室研究、微机电系统和机械制造等领域起到了重要的作用。
膜片钳具有结构简单、操作方便、夹持力均匀等特点，使其成为一种广泛使用的力学装置。
随着科技的不断发展，膜片钳的应用领域还将不断扩大，为各个领域的科研和应用带来更多的便利和可能性。
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。
膜片钳实验技术应用
9.1膜片钳实验技术应用1背景知识细胞膜上的离子通道与膜内外不同类型离子构成细胞兴奋的基础，离子进出细胞产生了生物电信号，这通常用电学或电子学方法进行测量，进而逐渐形成一门细胞研究学科—电生理学（Electrophysiology），它是采用电生理方法来记录和分析细胞产生电的大小和规律的科学。
早期的电生理方法多使用双电极电压钳技术来记录细胞内的电活动。
1976年德国马普生物物理化学研究所生物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（patch clamp recording technique）。
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），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。
1983年10月，《Single-Channel Recording》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，于1991年荣获诺贝尔医学和生理学奖。
膜片钳技术的建立，对生物学科学特别是神经科学是一具有重大意义的变革。
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。
正如1991年诺贝尔颁奖词所述，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一场革命性的变化，它和基因克隆技术（gene cloning）并驾齐驱，给生命科学研究带来巨大的前进动力。
膜片钳(patch clamp)按工作方式可区分为电压钳(voltage clamp)和电流钳(current clamp)。
膜片钳技术的发展及应用
膜片钳技术的发展及应用作者：生命科学学院2010级加孜依拉.巴旦1241410034摘要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发展及应用一、膜片钳技术的发展史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（Giga-seal），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-Channel Recording》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。
二、膜片钳技术的基本原理膜片钳技术被称为研究离子通道的“金标准”是研究离子通道的最重要的技术。
目前膜片钳技术已从膜片常规钳技术（Conventional patch clamp technique）发展到自动化膜片钳技（Automated patch clamp technique）。
传统膜片钳技术每次只能记录一个细胞，对实验人员来说是一项耗时耗力的工作，它不适合在药物开发初期和中期进行大量化合物的筛选，也不适合需要记录大量细胞的基础实验研究。
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
5
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。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
膜片钳的发展和应用1．背景细胞是生物的基本组成单元，细胞外围有一层薄膜，彼此分离又互相联系，细胞间与细胞内的通信、信号传递依靠其膜上的离子通道来进行，离子和离子通道是细胞兴奋性的基础，亦是产生生物电的基础。
生物电信号通常是用电学或电子学的方法进行测量。
早期多采用双电极电压钳技术作胞内记录，近年来逐渐被膜片钳所取代，这项技术为从细胞和分子水平了解生物膜离子单通道“开启”和“关闭”的门控动力学及各种不同离子通道的通透性和选择性等膜信息提供了最直接的手段。
膜片钳记录(patch clamp recording)是利用玻璃微电极吸引封接面积仅为几个um2的细胞膜片，在10-12A水平，记录单个或几个通道的离子电流，已达到当今电子测量的极限。
此技术广泛用于细胞膜离子通道电流的测量和细胞分泌、药理学、病理生理学、神经科学、脑科学、植物细胞的生殖生理等领域的研究。
从而点燃了细胞和分子水平的生理学研究的生命之火，并取得了丰硕的成果。
2．膜片钳技术简介2.1 基本原理和记录方法电压钳(V oltage-clamp)是由英国学者Huxley和Katz最先应用的[1]。
其实质是通过负反馈微电流放大器在兴奋性细胞膜上外加电流，保持细胞跨膜电位不变，并迅速控制其数值，以观察在不同膜电位条件下膜电流的情况。
膜电流的改变反映了膜电阻和膜电容的变化，因此电压钳可用来研究整个细胞膜或一大块细胞膜上所有离子通道的活动，但该技术由于在细胞内插人两根电扳，对细胞损伤很大，在小细胞中难以实现，又因细胞形态复杂，很难保持细胞膜各处生物特性的一致，而逐渐被膜片钳所取代。
膜片钳技术(patch-clamp)是在电压钳基础上发展起来一种新技术，与电压钳的主要区别有二：一是钳制膜电位的方法不同；二是电位固定的细胞膜面积不同，即所研究的离子通道数目不同。
与电压钳一样，膜片钳也是利用负反馈电子线路，将微电板尖端所吸附的一个至几个平方微米的细胞膜电位固定在一定水平，观察流过通道的离子电流。
其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封接，使电极尖开口处与相接的细胞膜小区域(膜片)形成无论是从机械上还是电学上都极为紧密地封接，从而可反映细胞上单一(或多数)离子通道的分子活动[2]。
1976年，德国科学家Neher和Sakmann首先用此技术对蛙胸皮肌细胞膜上的己酰胆碱受体通道进行了研究，记录出了量值在皮安级(10-12 A)的微弱电流[3,4]。
1981年，经Hamill等[5]后人的进一步完善，其电流测量灵敏度已达1pA，时间和空间分辨率达10 us和1 um。
随着膜片钳技术的出现，目前有几种不同的记录方式：(1)细胞吸附式(cell-attached patch)将两次拉制后，经热抛光的微管电极置于清洁的细胞膜表面, 形成高阻封接，在细胞膜表面隔离出一小片膜，即通过微管电极对膜片进行电压钳制，从而测量膜电流。
(2)内面向外模式(inside-out patch)高阻封接形成后，将微管电极轻轻提起，使其与细胞分离，电极端形成密封小泡，在空气中短暂暴露几秒钟后，小泡破裂再回到溶液中，使小泡的外半部分破裂即得。
(3)外面向外模式(outside-out patch)高阻封接形成后，继续以负压抽吸，膜片破裂，再将玻管慢慢从细胞表面提起，断端游离部分自行融合形成脂质双层而得到。
(4)全细胞模式(whole-cell mode)在细胞吸附式的基础上，继续以负压抽吸，使电极管内细胞膜破裂，电极内液与胞内液直接相通而得到。
此方式既可记录膜电位又可记录膜电流。
(5)穿孔膜片钳记录(perforated patch mode)，为克服常规全细胞模式的胞质渗漏问题，有学者将与离子亲和的制霉菌素或二性霉素B经微电极灌流到含有类甾醇的细胞膜上，形成只允许一价离子通过的孔，用此法在膜片上做很多导电性孔道借此对全细胞膜电流进行记录。
由于此模式的胞质渗漏极为缓慢，局部串联阻抗较常规全细胞模式高，所以钳制速度很慢，故也称为缓慢全细胞模式。
2.2 膜片钳的技术特点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。
以吉欧姆(GΩ)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)与其周围在电学上绝缘，在此基础上固定电位，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。
膜片钳记录技术的优点有：①最主要的是在GΩ封接形成的结果使漏出的电流极少，所以能正确地进行电压固定；②GΩ封接使背底噪声水平达到极低。
因为由热噪声(Johnson噪声)引起漂动的标准误差与阻抗的平方根值成正比，所以，巨阻抗封接时可达到最小；③膜片钳法对一般较小细胞也能在电位固定的条件下记录出膜电流；④膜片钳技术可以直接控制细胞内环境。
2.3 应用领域和最新进展膜片钳技术广泛用于细胞膜离子通道电流的测量和细胞分泌、药理学[6]、病理生理学、神经科学[7]、脑科学、植物细胞的生殖生理等领域的研究。
从而点燃了细胞和分子水平的生理学研究的生命之火，并取得了丰硕的成果。
在体膜片钳技术在体膜片钳是指在麻醉动物上直接对其脊髓或大脑神经元进行膜片钳记录的技术。
与分散神经元或组织片膜片钳技术比，最突出的优点是能够在整体条件下研究中枢神经元离子通道和突触活动的生理特点，还可通过口服及注射等整体给药途径观察药物作用，为从宏观角度研究和探讨作用于中枢神经系统药物的作用机制提供了新的途径。
在体膜片钳面临的难点在于：1）前期准备步骤复杂。
动物麻醉后，还要继续静脉滴注麻醉剂以维持深度麻醉状态，同时适量补偿葡萄糖；另外还需要做胸廓切开术，使用人工呼吸机，同时检测CO2潮气量、血压、心跳等。
2）形成高阻封接困难。
目前在体全细胞记录仍采用“盲插”，即在看不到细胞的情况下进行电极穿插。
由于在体神经元的体积较小，这样电极是否遇到细胞就很难判断。
另外，在体情况时，软脑膜几乎不可能剥离，并且神经元周围有大量的胶质细胞和纤维包围，这样电极在穿插过程中很容易堵塞。
目前只有通过施加正压保持电极清洁。
有实验室尝试使用辅助电极清理神经元表面。
辅助电极的尖端略大于膜片电极，施加较大正压，吹散周围组织，暴露神经元。
但这样增大了操作难度，并很可能损伤脑或脊髓组织，违背应用在体膜片钳技术的初衷。
德国马普研究所在最新研究报告中提出了靶向定位的方案，通过结合双光子显微镜、基因操作表达荧光标志技术，建立了双光子靶向膜片钳技术(two-photon targeted patching，TPTP)，进行在体全细胞记录研究[8]。
首先通过基因操作在动物脑内目标神经元中构建特异表达的荧光标记。
同时，在电极内液中也加入荧光剂，然后利用浸水荧光显微镜锁定神经元特异表达的荧光标志和玻璃电极内的荧光，以此为标记，在可视条件下，进行玻璃电极和神经元的封接和全细胞记录。
这样基本可以做到对特定神经元亚群的靶向研究。
如图1。
总之，整体动物实验反映的生理活动是体内各种生命过程的综合表现。
不仅视觉听觉触觉等必须应用整体动物模型，其他基本的神经生理活动的本质也将随着高新技术的出现，以无损伤非侵入式的方式，在整体动物模型上得到证明。
因此，应用在体膜片钳技术将会成为必然的选择。
阵列膜片钳技术膜片钳阵列最初的设想足在一个384孔微板的每一个孔底部安装电极，每一个电极都连接一个放大器，并能进行全细胞记录，从而完成离子通道活性的大规模平行筛选[9]。
随着研究的不断深入，膜片钳阵列技术主要向2个方向发展，即基于微管的膜片钳电极阵列技术及平面膜片钳电极阵列技术。
由于平面膜片钳电极阵列技术是在平面材料上刻蚀孔来代替电极进行细胞的吸附，相对于微管电极阵列技术，可以达到更大的通量，成为科研人员目前研究的主要技术。
平面膜片钳阵列方法避免了电极微操作过程、显微镜的使用以及电极震动分离的可能性。
而且由于它的电容、通路电阻和绝缘体噪音更低，可以达到更高的记录水平。
由于电极的表面平坦，阵列装置完全适合于探针扫描技术的应用。
当扫描和电记录能同时进行时，一种新的阐明离子通道结构与功能关系的实验方法将变得可行。
另外，透明的平面电极也适合于光学测量。
但是，平面电极阵列技术仍然面临一些挑战，如寻找制作平面电极的合适材料(如硅、玻璃、塑料等)以及能够提高精密度和一致性的构建技术等。
相信新的电极技术将极大地简化传统的膜片钳记录技术[10]。
全自动膜片钳技术随着科学的进步，时代的发展，使用传统微管电极进行膜片钳记录的自动化已基本实现。
有许多文献报道了膜片钳技术自动化方面取得的成绩。
Sophion公司已经研制了一个机器人膜片钳系统，在这个系统中，机器可以在显微镜下自动定位细胞、定位管和建立记录。
在CeNeS公司研究的装置中，细胞悬浮在一滴溶液中，一根玻璃电极从下面接近液滴，并与集中在气水界面的细胞接触，吸附以后自动进行电记录的操作。
自动化降低了仪器对操作者的依赖性，但显然仍不适于高通量应用。
近年来，在自动化技术基础之上，微管电极阵列开始逐渐发展。
Straub等在硅片芯片上设计晶体管微阵列与细胞形成高阻封接进行电记录，与传统膜片钳记录方法比较，使用这种方法形成封接之后通道的功能是完全的。
Csicsvari等使用硅电极微阵进行了神经细胞活性的平行记。
Nanion公司的PatchLiner NPC-16 ，Molecular Devices公司的Ionworks HT和PatchXpress 7000A全部采用的是平板微阵列技术。
其技术特点如下：在平板电极上打磨或者使用金属离子轰击成孔，每孔都是大小均一的直径约1～21xm的小孔，每个小孔下面有电极连接到放大器，可对实验过程中的电流变化进行记录。
将细胞悬浮液加载到平板玻璃孔上，通过调节压力和吸力，一个细胞便可以自动定位在小孔上(相当于微管电极的尖端)，自动进行封接，自动判断封接并进一步施加负压破膜以进行全细胞模式实验。
Flyion公司采用的是翻转膜片钳技术(FLIP-THE-TIP)，全部操作过程由软件设定机器人完成。
流程如下：机器人自动将细胞注入Fliptip微管(Flyion公司专利技术)，然后自动把细胞冲洗到管尖底部，在负压的吸引下形成传统的吉欧封接。
自动判断封接形成是否良好并自动破膜形成全细胞模式。
随后，药物化合物等可以被自动应用到管内进行全细胞模式实验。
这种方式形成的膜片钳完全排除显微镜和显微操作，从而革命性的实现膜片钳技术的全自动化。
3．在生物医学工程中的应用生物医学工程(Biomedical Engineering, BME)是综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来的新兴边缘学科，其主要研究方向是运用工程技术手段，研究和解决生物学和医学中的有关问题。
多学科的交叉，使不同于那些经典的学科，也有于生物医学和纯粹的工程学科。