膜片钳技术原理与基本操作

1、.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。1、 膜片钳技术的基本原理 用一

2、个尖端直径在1.53.0m 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

3、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、操作步骤精品.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1.11.2mm。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

4、15m，充入电极内液后电极电阻在15m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

5、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。精品.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+

6、 浓度为10100nmol (pca 78)，ph 值77.4。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

7、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%o25%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。

8、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

9、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2mm2mm 的组织块静止精品.1小时，并通以氧气。(2) 将脑组织块放入含有protease 16unit/ml ( type , sigma )和protease 2unit/ml (type , 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

10、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，1050ms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。精品.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种，后种是依据前种变更而来的。(1) 细胞贴附式 (cel

11、l-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：

12、 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20m 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式记录称作常规全细胞模式 (conventional whole-cellmode 或hole cell mode)。(4) 膜外面向外式 (outside-out mode)：在全细

13、胞模式状态下将电极向上提，使电极尖端的膜片与细胞分离后又粘合在一起，此时膜内面对电极内液，膜外接触的是灌流液。可在改变细胞外液的情况下记录单通道电流。(5) 开放细胞贴附膜内面向外式 (open cell-attached inside-out mode)： 在细胞贴附式状态下，用机械方法将电极膜片以外的细胞膜破坏，从这个破坏孔调控细胞内液并在细胞贴附式状态下进行单通道电流记录。用这种方法时，细胞越大，破坏孔越小，距电极膜片越远，细胞因子的流出越慢。精品.(6)穿孔膜片式 (perforated patch mode) 或缓慢全细胞式 (slow whole-cell mode)：在全细胞式记

14、录时由于电极液与细胞内液相通，胞内可动小分子能从细胞内渗漏到电极液中。为克服此缺点，可在膜片电极内注入制霉菌素 (nystatin) 或二性霉素 (amphotericin 使电极膜片形成多数导电性小孔，进行全细胞膜电流记录，故被称为穿孔膜片式或制霉菌素膜片式 (nystatin-patch mode)。又因胞质渗漏极慢，局部串联阻抗较常规全细胞记录模式高，钳制速度慢，故也称为缓慢全细胞式。(7) 穿孔囊泡膜外面向外式 (perforated vesicle outside-out mode)：在穿孔膜片式基础上，将电极向上提，使电极尖端的膜片与细胞分离后又粘合在一起形成一个膜囊泡。如果条件很

15、好，在囊泡内可保留细胞质和线粒体等，能在比较接近正常的细胞内信号转导和代谢的条件下进行单通道记录。 6. 细胞内灌流方法： 细胞内灌流是在全细胞式状态下利用电极内灌流法形成的。电极内灌流法的装置是由电极固定部、灌流液槽、注入管、流出管、电极记录用琼脂桥所组成。注入管是用直径2.5 mm 的塑料管经加热拉细制成，使其尖端能插到接近电极的尖顶部。灌流液槽注满实验用溶液，插入注入管，当千兆封接形成后，由于负压吸引的作用电极内液从流出管流入排液槽的同时，实验用溶液由流入管注入到电极内，电极充满实验用溶液后关闭注入管，完成了液体的交换。这种方法应用在“内面向外式”时，可同时改变细胞内液和细胞外液的组成；

16、应用在“全细胞式”时就形成了细胞内灌流方法，直接改变了细胞内液。精品.7. 全细胞记录模式离子通道电流记录(1) 钠通道电流 (ina)： 灌流液即细胞外液同人工脑脊液液，也可加入cocl2 3 mmol/l或nifidipine 10mol/l 以阻断钙电流。电极液成分(mmol/l)：cscl 150, egta 11, cacl2 1,mgcl2 1, hepes 10, 用csoh 调ph 至7.4。电压钳制方案，通常设保持电位 (holding potential) 为-80 mv，去极化电压为 -10+40mv，步阶电压10 mv，去极化的保持时间（刺激脉冲宽度或钳制时间）1040

17、 ms。当全细胞记录方式形成后，利用上述电压钳制方案，即可记录出ina。根据实验数据制作电流-电压 (current-voltage, i-v) 关系曲线，从中找到na+ 电流的激活电位、反转电位和最大电流的电压区域。(2) 钙通道电流 (ica)：灌流液有两种方案，一是人工脑脊液中加入ttx 10mol/l，另一是将人工脑脊液中的nacl 换成n-methyl-d-glucamine 130mol/l, ph 用csoh 调至7.4。电极液的组成(mmol/l)：aspartic acid 60, csoh 60, mgcl2 4, hepes 10, egta 10, na2atp 3。用

18、csoh 调ph 至7.4。通常使用的电压钳制方案是设保持电位为-40 mv，去极化电压为10110 mv，步阶电压10 mv, 钳制时间300 ms，此方案记录的是l 型ca2+ 通道电流；但在此保持电位下记录到的ca2+ 电流尚含有na+ 通道电流或尚有t 型ca2+ 通道电流。记录由于没有特异的t 型ca2+ 通道阻滞剂，若想获得较纯净的l 型ca2+ 通道电流，将保持电位抬高到-30 mv 即可。记录t 型ca2+ 通道电流的电压钳制方案是设保持电位为-80 mv，仍以10 mv 的步阶电压去极，去极化电压为10170 mv，应用l 型ca精品.2+ 通道阻滞剂，如：nitrendip

19、ine、nisodipine、nifedipine 等，即可得到较纯净的t 型ca2+ 通道电流。两种方案得出的膜电流峰值，均可绘制i-v 曲线。 (3) 钾通道电流：神经细胞上亦存在多种k+ 通道，其研究也很复杂，通常最直观最容易观察和记录得到的k+ 通道电流不外乎几种。这里仅就延迟整流通道、内向整流通道及瞬间外向电流通道的电流记录加以介绍。基本液体 灌流液的组成 (mmol/l)： n-methyl-d-glucamine 135, kcl 5.4, cacl 1.8,mgcl2 0.5, hepes 10, glucose 5.5。用hcl 调ph 至7.4。也可在灌流液中加入ttx(1

20、0-6mol/l)和cd+ (0.20.5mmol/l)，以阻断na+ 和ca2+ 通道。电极溶液为通常的细胞内液。 延迟外向整流电流 (delayed rectifier outward current, ikr)：设保持电位为 80 mv，去极化电压为 -20+170 mv，步阶电压10 mv, 钳制时间可这在100400 ms，时间间隔为23ms 以上。有时可将保持电位设在 30 mv 或 40 mv，这样不仅可以使t 型ca2+ 通道失活，记录出ikr，而且也可以同时记录到尾电流 (itail)，尾电流也是延迟外向整流电流的一种表现形式，当钳制方波从 +70 mv 或 +90 mv 复

21、极到保持电位时，这个电流并不紧随，而是延迟于复极的钳制方波，以指数衰减方式，逐渐回至电流基线。现认为itail 和ikr 使用同一通道。ikr 值的表示，通常是测定钳制方波就要结束时的外向电流幅值；itail 的测定是在钳制初期上升的幅值。 内向整流电流 (inward rectifier current, ikir)： 在膜超极化时内向整流通道开放，k精品.流入细胞内，当膜电位近于静息电位或更正时，该通道趋于关闭。一般情况下保持电位的设置与细胞的静息电位相当，设在 80 mv，在这个电位下，膜电位为“零”，保持电位是“零”电流电位。然后令钳制电位从正于保持电位的方向，向超极化方向复极，超极化

22、可达-140 mv 到 160 mv，过度超极化可能会损伤细胞，步阶电压仍为10 mv 在神经细胞，ikir 于钳制初期可表现出一个瞬间内向电流，很快衰减，之后趋于平衡，形成时间不依赖性或称为持续性电流。测量电流幅度是测瞬间电流峰值和持续性电流峰值。分别绘制其i-v 曲线，再做分析。 瞬间外向电流 (transient outward current, ia 或ito)： 用于记录ito 的电压钳制方案与延迟整流电流的方案基本一样，通常将保持电位设在 80 mv，但这种电压钳制方案在记录到的ito 中，一定混有ikir。目前可用两种方法将其分开。第一，设置两个电压钳制方案，即：第一个方案中的保

23、持电位为 80 mv，钳制电位为 +50 mv 或更高，时间为80100ms，目的在于最大程度地记录到ito。第二，如用改变保持电位的方法仍不能分开ito 和ikir，则可用某些阻断剂 (如e-4031、tea 等) 阻断ikir，然后利用方案一记录ito。然而，实际上要得到较纯净的ito 是相当不容易的，这其中包括：在某些细胞ito 和ikir 对膜电位的依赖性太接近，以及到目前为止尚未有十分特异的ikir 阻断剂。由于tea 这类阻断剂的特异性差，所有应用时要格外小心，应使用特异性较好的阻断剂。在k+ 通道的研究中，也可应用斜坡 (ramp) 钳制方案。其基本要点是膜电位斜坡除极的速度不要

24、太快。通常将膜电位从 110 mv 斜坡除极到 +70 mv 或更高，旨在使这一钳制方案覆盖整个生理电位活动范围。在神经细胞，斜坡钳制所得到的k精品.+ 电流包含几种类型k+ 通道电流，其中有ikr、ito 、ikir 等，也就是记录到的应是一条多类型的k+ 电流组成的电流轨迹。不同类型的k+ 通道阻滞剂可以分别阻断这一电流轨迹的不同部分。实验者可在上述原则基础上设计适用于不同k+ 通道研究的斜坡钳制方案。8. 单通道电流记录(1) 钠通道电流 (ina)： 用“细胞贴附式”膜片时，细胞外液为人工脑脊液，电极液为无钙的人工脑脊液 (na+ 140mmol/l) 保持电位与去极化电压的设置同全细胞记录方式，施加50ms 的去极化脉冲，可记录到单通道ina。为便于观察，使通道开闭的速度变慢，实验需在较低的温度(2224)下进行。ina 表现为内向（向下）的矩形波状的变化。将保持电位从静息电位钳制到 130 mv，处于超极化状态下