膜片鉗是哪些？
腦部中的信息是由神經(jīng)元的聯(lián)通號(hào)傳遞的。聯(lián)通號(hào)由細(xì)胞膜上離子通道形成的電壓造成的電流變化組成。
神經(jīng)元離子通道示意圖
怎么檢測(cè)細(xì)胞膜上的電壓和電流呢？20世紀(jì)40年代，人們將鈀金絲插入硬質(zhì)玻璃管拉制的玻璃微管（尖端半徑大于1微米），灌入鹽堿液，再刺入細(xì)胞，與微電極放大器、示波器、音響放大器等設(shè)備聯(lián)接組成電路，從而在細(xì)胞內(nèi)記錄電壓或電流。因?yàn)檫@些技巧的噪音較大，當(dāng)時(shí)不能區(qū)分離子通道的微小電壓。
細(xì)胞內(nèi)記錄電路示意圖
1976年，美國(guó)馬普生物化學(xué)研究所ErwinNeher和Bert改進(jìn)了細(xì)胞內(nèi)記錄方法，首創(chuàng)膜片鉗技術(shù)（patchclamp）。其核心在于“鉗”住細(xì)胞“膜片”。她們發(fā)覺(jué)當(dāng)玻璃微電極與幾個(gè)平方微米的細(xì)胞膜封接時(shí)，輕吸微電極，導(dǎo)致負(fù)壓，可以使封接內(nèi)阻飆升兩個(gè)數(shù)目級(jí)以上，將背景噪音降到極小，因而可以在10-12A的水平記錄單個(gè)或幾個(gè)離子通道的電壓。這一技術(shù)劃時(shí)代地將電生理技術(shù)提升到研究單個(gè)蛋白的分子水平，為現(xiàn)代生物學(xué)及醫(yī)學(xué)的發(fā)展帶來(lái)革命性進(jìn)步，獲得1991年度的諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
膜片鉗技術(shù)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)步驟示意圖
膜片鉗的設(shè)備簡(jiǎn)介
電生理設(shè)備由四套系統(tǒng)構(gòu)成
（1）維持細(xì)胞健康活性的支持系統(tǒng)：包括持續(xù)灌注細(xì)胞外液的灌流系統(tǒng)、為灌流液持續(xù)充混和氣的氣流裝置，以及控溫裝置
（2）輔助觀察細(xì)胞的光學(xué)系統(tǒng)：包括顯微鏡、光源、信號(hào)轉(zhuǎn)換器及顯示器
（3）穩(wěn)定操控微電極的操作系統(tǒng)：微操縱器、氮?dú)夥勒鹋_(tái)、相對(duì)封閉的安靜臥室角落
（4）熱學(xué)系統(tǒng)：放大器、示波器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)、屏蔽電波干擾的法拉第籠等
膜片鉗重要設(shè)備示意圖及本實(shí)驗(yàn)室設(shè)備示例圖
膜片鉗的記錄模式有什么？
膜片鉗除了使熱學(xué)記錄穩(wěn)定細(xì)胞膜片，在熱學(xué)上連結(jié)牢靠，并且衍生出了多種膜片鉗形式。既可以記錄單個(gè)離子通道的電壓，又可以記錄全細(xì)胞的電壓。其中，全細(xì)胞膜片鉗被證明是研究體外保存的腦切塊中神經(jīng)元和神經(jīng)元網(wǎng)路的集合特點(diǎn)的理想工具。
膜片鉗技術(shù)在麻醉科刺癢聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的舉辦
本實(shí)驗(yàn)室于2020年成功搭建膜片鉗平臺(tái)，現(xiàn)可穩(wěn)定進(jìn)行離體腦片組織的全細(xì)胞模式電生理記錄。目前正在進(jìn)行電生理相關(guān)的國(guó)家級(jí)課題1項(xiàng)，上海市課題1項(xiàng)。
本課題組前期在全細(xì)胞記錄模式下，探究右美托咪定對(duì)大鼠腦部皮層神經(jīng)元膜電位的影響。
“探討抗生素對(duì)神經(jīng)元放電頻度的影響”
在突觸傳遞方面，課題組通過(guò)全細(xì)胞記錄探究右美托咪定對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)釋放的影響。
不僅研究電生理學(xué)性質(zhì)，本實(shí)驗(yàn)室還將膜片鉗技術(shù)與共聚焦顯微鏡結(jié)合上去，描畫(huà)不同種類神經(jīng)元樹(shù)、軸突的形態(tài)學(xué)特點(diǎn)。
綜上所述，膜片鉗技術(shù)是研究神經(jīng)系統(tǒng)聯(lián)通號(hào)的最直接、最有效的方式，構(gòu)建起了從分子水平到神經(jīng)元網(wǎng)路水平的橋梁。據(jù)悉，膜片鉗被稱為現(xiàn)代“光遺傳學(xué)”技術(shù)的補(bǔ)充，由于它還能借助光控制和可視化大量神經(jīng)元的活動(dòng)。其實(shí)本實(shí)驗(yàn)室的電生理研究尚處于起步階段，并且研究人員具備較扎實(shí)的膜片鉗理論基礎(chǔ)及精湛的操作技術(shù)，設(shè)備齊全且性能穩(wěn)定。期盼膜片鉗平臺(tái)為本實(shí)驗(yàn)室麻醉及腫脹的機(jī)制研究帶來(lái)新的啟發(fā)和支持。
參考文獻(xiàn)
1.《實(shí)用膜片鉗技術(shù)》，劉振偉編繪
2.《神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)原理與技術(shù)》，呂國(guó)蔚李云慶主編
3.《-》,byBertandErwinNeher
4.唐佳麗等.右美托咪定對(duì)大鼠腦部中級(jí)體感皮層快放電抑制性中間神經(jīng)元激動(dòng)性的影響[J].中華麻醉學(xué)刊物,2020,40(06):698-702.
作者簡(jiǎn)介
湯博廣州協(xié)和醫(yī)大學(xué)2018級(jí)博士研究生
湯博，2018級(jí)博士研究生在讀細(xì)胞膜片，師從黃宇光院士。
指導(dǎo)老師
唐佳麗廣州協(xié)和診所
唐佳麗，博士
廣州協(xié)和診所麻醉科入院醫(yī)師
研究興趣聚焦于四肢麻醉機(jī)理以及腦功能調(diào)控與保護(hù)，主持上海市自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目。
圖文：湯博
編審：廣州協(xié)和診所麻醉科放療室