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生物前沿研究室

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[交流] 什么是膜片钳技术?

膜片钳的本质属于电压钳的范畴。电压钳(voltage—clamp)技术由美国学者Cole提出,英国学者Hodgkin、Huxley和Katz进一步发展而成,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,使膜电位稳定在指令电压水平,以消除钠电导对膜电位的正反馈效应,这样,在膜电位突然跃变并固定于某一数值时,可观察膜电流的变化。


膜片钳技术的基本原理是利用一个尖端直径约1.5~3.0μm的锥状玻璃管(微电极),通过负压吸引使尖端与细胞膜形成千兆欧姆级的阻抗封接(Giga-seal),从而实现对细胞膜上特定区域的电学隔离。在这个隔离的膜片区域,可以人工钳制膜电位,进而监测和记录通过该区域离子通道的电流。这种技术能够检测到皮安级别的微小电流,为研究离子通道的动态行为提供了可能。

膜片钳包括四种常见的记录模式:细胞贴附式记录模式(cell-attached recording)、全细胞记录模式(whole-cell recording)、内面朝外记录模式(inside-out recording)、外面朝外记录模式(outside-out recording)。

什么是离子通道?
离子通道是一类具有孔隙的特殊跨膜蛋白,这些孔隙穿透细胞的质膜或细胞器膜,允许特定的离子通过,从而调节细胞内外的离子浓度和电位差。离子通道具有高度的离子选择性和门控特性,这种选择性通常由通道内部的氨基酸序列和结构决定,根据其离子选择性可以将离子通道分为Na+通道、K+通道、Ca2+通道等。而门控特性指的是它们开启和关闭的能力。

门控可以是电压依赖性的,如电压门控钠通道和钾通道,它们会响应膜电位的变化而开启或关闭;也可以是配体门控的,如乙酰胆碱受体通道,它们在特定的神经递质结合后开启;或者是机械门控的,如在压力变化下开启的通道。离子通道的开启和关闭对于维持细胞的兴奋性、信号传递和生理功能至关重要。
膜片钳技术的应用01?对离子通道(以及泵和转运体)的研究

02?对细胞分泌的研究

03?膜片钳技术与光学技术的结合

(1)离子通道功能与通道构象结合
? ? ? ? ?电压钳荧光测量(VCF) ? ?
? ? ? ? ?膜片钳荧光测量(PCF)
(2)光电联合动态监测? ??
? ? ? ? ?实时荧光成像追踪(RFT) ? ?
? ? ? ? ?光刺激诱导电流检测(PSIC)
(3)多模态显微成像辅助? ??
? ? ? ? ?共聚焦-膜片钳联用(CLM-PC) ??
? ? ? ? ?超分辨荧光-膜片钳协同(SRF-PC)
04?与分子生物学技术联合应用

05?膜片钳技术与光遗传学(optogenetics)的联合

06?高通量药物筛选

07?生物/固态纳米孔的研究

08?离子通道研究

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