膜片钳技术原理与基本操作

膜片钳技术原理与基本操作

1976 年Neher 和Sakmann 建立了膜片钳技术（Patch clamp technique），这是一种以记录通过离子通道的离子电流来反映细胞膜上单一的或多数的离子通道分子活动的技术。1981 年Hamill, Neher 等人又对膜片钳实验方法和电子线路进行了改进，形成了当今广泛应用的膜片钳实验技术。该技术可应用于许多细胞系的研究，也是目前唯一可记录一个蛋白分子电活动的方法，膜片钳技术和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，这一伟大的贡献，使Neher 和Sakmann 获得1991 年诺贝尔医学与生理学奖。

一、膜片钳技术的基本原理

用一个尖端直径在1.5~3.0μm 的玻璃微电极接触细胞膜表面，通过负压吸引使电极尖端与细胞膜之间形成千兆欧姆以上的阻抗封接，此时电极尖端下的细胞膜小区域（膜片，patch）与其周围在电学上分隔，在此基础上固定（钳制，Clamp）电位，对此膜片上的离子通道的离子电流进行监测及记录。

基本的仪器设备有膜片钳放大器、计算机、倒置显微镜、示波器、双步电极拉制器、三轴液压显微操纵器、屏蔽防震实验台、恒温标本灌流槽、玻璃微电极研磨器。膜片钳放大器是离子单通道测定和全细胞记录的关键设备，具有高灵敏度、高增益、低噪音及高输入阻抗。膜片钳放大器是通过单根电极对细胞或膜片进行钳制的同时记录离子流经通道所产生的电流。膜片钳放大器的核心部分是以运算放大器和反馈电阻构成的电流-电压（I-V）转换器，运算放大器作为电压控制器自动控制，使钳制电位稳定在一定的水平上。

二、操作步骤

1.膜片钳微电极制作

(1) 玻璃毛细管的选择：有二种玻璃类型，一是软质的苏打玻璃，另一是硬质的硼硅酸盐玻璃。软质玻璃在拉制和抛光成弹头形尖端时锥度陡直，可降低电极的串联电阻，对膜片钳的全细胞记录模式很有利；硬质玻璃的噪声低，在单通道记录时多选用。玻璃毛细管的直径应符合电极支架的规格，一般外部直径在

1.1~1.2mm。内径1mm。

(2) 电极的拉制：分二步拉制。第一部是使玻璃管中间拉长成一窄细状，第二次拉制窄细部位断成二根，其尖端直径一般在1~5μm，充入电极内液后电极电阻在1~5MΩ为宜。调节第一步和第二步拉制时加热线圈的电流强度，即可得到所需要的电极尖端直径。电极必须保持干净，应现用现拉制。

(3) 涂硅酮树酯：记录单通道电流时，为了克服热噪声、封接阻抗噪声及电极浸入溶液产生的浮游电容性噪声，需要在电极尖颈部（距离微电极尖端50mm）的表面薄薄地涂一层硅酮树酯（sylgard），它具有疏水性、与玻璃交融密切、非导

电性的特性。涂完硅酮树酯的玻璃微电极须通过加热的镍铬电阻线圈烘干变固，以防硅酮树酯顺着电极流向尖端而影响千兆封接。烘干后才能进行热磨光。(4) 热磨光(heat polish)：一般在玻璃研磨器下对电极尖端进行热磨光，磨光后可使电极尖平滑并烧去过多的硅酮树酯薄膜，有利于千兆封接的形成。目前大多数实验室在作全细胞模式记录时，不涂硅酮树酯也不进行热磨光，也可形成很好的千兆封接。

(5) 电极液的充灌：目前最常应用的是用注射器反向充灌。用细长的注射器针头或拉细的聚乙烯胶管从电极尾端插入到电极尖端，再进行灌注。灌注后电极尖端有少许气泡，排除气泡的方法是用左手拿住电极，尖端向下，用右手轻轻弹击电极，可见气泡徐徐上升直至排除。电极液不要充灌太满，能与探头的银丝接触上即可，溶液过多会浸入探头支持架致使潮湿而影响实验记录。

2.溶液的组成

(1) 电极液：根据记录的电流不同电极液的成分也不同。基本要求是等张的KCI 溶液，Ca2+浓度为10~100nmol (pCa 7~8)，pH 值7~7.4。这里介绍一个在全细胞记录模式时，通过改变保持电位，能分别记录到Na+、K+、Ca2+电流的电极液成分(mmol/L)：K Aspartic 49.89，KCI 30.37，KH2PO4 25，HEPES 20.12，EGTA 0.999，KOH 29.95，MgCl2 1，CaCl2 0.2，ATPNa2 6.8。用KOH 调pH 至7.4。如果要记录纯的Na+、K+、Ca2+电流，则需要使用相应的工具药。

HEPES（N-2-hydroxyethyopiperazine-N’-2-ethanesulfonic acid，羟乙基哌嗪乙烷磺酸）

(2) 细胞外液（浴槽液）：分离细胞和记录电流时应用。分离神经细胞主要用人工脑脊液（artificial cerebrospinal fluid solution，ACSF），成分（mmol/L）：NaCl 124，KCl 2.5，NaH2PO4 1.25，MgSO4 2.0，CaCl2 2，NaHCO3 26，glucose 10。该液体需要通以95%O2＋5%CO2混合气体。如果用HEPES 作缓冲系，则ACSF 的成分如下（mmol/L）：NaCl 140，KCl 2.5，MgCl2 1，CaCl2 1，glucose 25，HEPES 10。上述溶液的配制均使用去离子水。

3.神经细胞的分离

运用膜片钳技术进行电生理学研究需要制备合适的单个细胞作标本，细胞制备的好坏直接影响实验的成功率。膜片钳实验要求细胞标本具有呼吸活性、耐钙、细胞膜完整、平滑、清洁度高的条件，以利于微电极与细胞膜进行高阻封接。活性好的细胞在形成全细胞模式后可以保持活性很长时间，足以保证实验的顺利进行。因此制备好的细胞标本是膜片钳实验的关键第一步。

七十年代以来，出现了许多分离各类细胞的分离技术，但是进行电生理学研究尤其是膜片钳实验多应用酶解分离细胞的方法。我们实验室曾分离过豚鼠心室肌细胞、大鼠肝脏细胞、大鼠脑皮层神经细胞、家兔肺动脉平滑肌细胞和人脑皮

层神经细胞及人心房肌细胞。

这里重点介绍大鼠脑皮层神经细胞的分离技术。

(1) 用30mg/kg 戊巴比妥钠ip 麻醉后，断头开颅取出大脑半球放入冷的人工脑脊液中，轻轻剥离脑膜和血管等纤维组织，然后取脑皮层在人工脑脊液中剪成2mm×2mm 的组织块静止1小时，并通以氧气。

(2) 将脑组织块放入含有protease 16unit/ml ( type Ⅹ, sigma )和protease 2unit/ml (type ⅩⅣ, sigma)的人工脑脊液中，在36℃恒温震荡(60 次/min)水浴中孵育60 分钟左右。

(3) 将组织块取出，反复用人工脑脊液冲洗５次，以彻底清除消化酶，于室温下静止60 分钟并继续通氧，实验前将组织块轻柔吹打后即可分离出单一的神经细胞供实验使用。

4.千兆欧姆封接

取一滴细胞液，滴入浴槽中，用人工脑脊液进行灌流，将浮游的死细胞冲走，待细胞贴壁后即可进行封接吸引。通过PCLAMP 软件或电子刺激器，给予一个20mV，10~50ms的矩形波刺激，当电极进入浴槽溶液时，记录电流的直线变成与矩形波电压脉冲相对应的矩形波曲线，将电极尖轻轻压在细胞膜表面，此时电流曲线的高度变低，给电极以负压吸引，由于电极尖与细胞膜逐渐密接，细胞膜与电极间的电阻逐渐增加，电流曲线逐渐减小

直至变成一条直线，则形成了千兆欧姆封接。

5．记录模式

根据研究目的选择记录模式，主要有下面叙述的前４种，后３种是依据前４种变更而来的。(1) 细胞贴附式(cell-attached 或on-cell mode)：千兆欧姆封接后的状态即为细胞贴附式模式，是在细胞内成分保持不变的情况下研究离子通道的活动，进行单通道电流记录。即使改变细胞外液对电极膜片也没有影响。

(2) 膜内面向外式(inside-out mode)：在细胞贴附式状态下将电极向上提，电极尖端的膜片被撕下与细胞分离，形成细胞膜内面向外模式。此时膜片内面直接接触浴槽液，灌流液成分的改变则相当于细胞内液的改变。可进行单通道电流记录。此模式下细胞质容易渗漏(washout)，影响通道电流的变化，如Ca2+通道的run-down 现象。

(3) 全细胞式(whole-cell mode) 记录：在细胞贴附式状态下增加负压吸引或者给予电压脉冲刺激(zapping)，使电极尖端膜片在管口内破裂，即形成全细胞记录模式。此时电极内液与细胞内液相通成为和细胞内电极记录同样的状态，不仅能记录一个整体细胞产生的电活动，并且通过电极进行膜电位固定，也可记录到全细胞膜离子电流。这种方式可研究直径小于20μm 以下的小细胞的电活动；也可在电流钳制(current clamp)下测定细胞内电位。目前将这种方法形成的全细胞