光遗传学调控技术是近几年正在迅速发展的一项整合了光学、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物技术。NatureMethods杂志将此技术评为"Methodoftheyear2010"[19]；美国麻省理工学院科技评述（MITTechnologyReview，2010）在其总结性文章"Theyearinbiomedicine"中指出：光遗传学调控技术现已经迅速成为生命科学，特别是神经和心脏研究领域中热门的研究方向之一。目前这一技术正在被全球几百家从事心脏学、神经科学和神经工程研究的实验室使用，帮助科学家们深入理解大脑的功能，进而为深刻认识神经、精神疾病、心血管疾病的发病机理并研发针对疾病干预和的...

膜片钳是一种用于研究生物膜电生理特性的技术，它可以在单细胞或组织切片上记录膜电位的变化。这种技术可以用来研究细胞膜中的离子通道、离子泵以及神经元的电活动等。在膜片钳实验中，研究者会将单细胞或组织切片放置在一个称为膜片电极的微小玻璃管中。这个电极会紧密地贴合在细胞或组织的表面，形成一个高阻抗的界面，使得研究者可以精确地测量细胞膜电位的变化。膜片钳实验的结果通常以电流-时间曲线（i-t曲线）的形式呈现。这些曲线可以显示出在给定的时间内通过特定通道的电流强度，从而帮助研究者了解通道的性质和功能。除了测量电流外，膜片钳还可以用来记录膜电位的变化。这些变化可以反映出细胞对于各种刺激的反应，例如神经元的兴...

膜片钳技术的创立取代了电压钳技术，是细胞电生理研究的一个飞跃，使得离子通道的研究，从宏观深入到微观，使昔日的“肉汤生理学(brothphysiology)”与“闪电生理学(lightningphysiology)”在分子水平上结合起来，使人们对膜通道的认识耳目一新。当前，生理学、生物物理学、生物化学、分子生物学和药理学等多种学科正在把膜片钳技术和膜通道蛋白重组技术、同位素示踪技术和光谱技术等非电生理技术结合起来，协同对离子通道进行较全的研究。不少实验室已经将基因工程与膜片钳技术结合起来，把通道蛋白有目的地重组于人工膜中进行研究。设想将合成的通道蛋白分子接种入机体以替换有缺陷和异常的通道的功能而...

膜片钳技术实现了小片膜的孤立和高阻封接的形成，由于高阻封接使背景噪声水平降低，相对地增宽了记录频带范围，提高了分辨率。另外，它还具有良好的机械稳定性和化学绝缘性。而小片膜的孤立使对单个离子通道进行研究成为可能。单通道电流1.典型的单通道电流呈一种振幅相同而持续时间不等的脉冲样变化。他有两个电导水平，即O和1，分别对应通道的关闭和开效状态。2.有的矩形脉冲簇状发放时，通道电流不在同一水平，可以明显观察到不同数目离子通道所形成的电流台阶，从而可推断出被测膜片的通道数目。3.有的通道可记录到圆滑型和方波形两种形式。4.有些通道开放活动是持续开放，中间被闪动样的关闭所中断，形成burst开放。有些通道...

把膜电位钳位电压调到-80--100mV，再用钳位放大器的控制键把全细胞瞬态充电电流调定至零位（EPC-10的控制键称为C-slow和C-series;Axopatch200标为全细胞电容和系列电阻）。写下细胞的电容值Cc和未补整的系列电阻值Rs，用于消除全细胞瞬态电流，计算钳位的固定时间（即RsCc），然启根据欧姆定律从测定脉冲电流的振幅算出细胞的电阻RC。缓慢调节Rs旋钮注意测定脉冲反应的变化，逐渐增加补整的比例。如果RS补整非常接近振荡的阈值，RS或Cc的微细变化都会达到震荡的阈值，产生电压的振荡而使细胞受损。因此应当在RS补整水平写不稳定阈值之间留有10%-20%的余地为安全。准备资料...

高阻密封技术还***降低了电流记录的背景噪声，从而大幅提高了时间、空间和电流分辨率，如10μs的时间分辨率、1平方微米的空间分辨率和10-12年的电流分辨率。影响电流记录分辨率的背景噪声不仅来自膜片钳放大器本身，还来自信号源的热噪声。信号源就像一个简单的电阻，其热噪声为σn=4Kt△f/R其中σn为电流均方差的平方根，k为玻尔兹曼常数，t为温度，△f为测量带宽，R为电阻值。可以看出，为了获得低噪声电流记录，信号源的内阻必须非常高。如果在1kHz带宽、10%精度的条件下记录1pA的电流，信号源的内阻应该大于2gω。电压钳技术只能测量内阻为100kω~50mω的大电池的电流，常规技术和制备无法达到...

高阻封接问题的解决不仅改善了电流记录性能，还随之出现了研究通道电流的多种膜片钳方式。根据不同的研究目的，可制成不同的膜片构型。(1)细胞吸附膜片(cell-attachedpatch)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，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，这种方式又称为细胞膜上的膜片记录。此时跨膜电位由玻管固定电位和细胞电位决定。因此，为测定膜片两侧的电位，需测定细胞膜电位并从该电位减去玻管电位。从膜片的通道活动看，这种形式的膜片是极稳定的，因细胞骨架及有关代谢过程是完整的，...

膜片钳技术本质上也属于电压钳范畴，两者的区别关键在于：①膜电位固定的方法不同；②电位固定的细胞膜面积不同，进而所研究的离子通道数目不同。电压钳技术主要是通过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情况。因此只能用来研究整个细胞膜或一大块细胞膜上所有离子通道活动。目前电压钳主要用于巨大细胞的全性能电流的研究，特别在分子克隆的卵母细胞表达电流的鉴定中发挥着其他技术不能替代的作用。该技术的主要缺陷是必须在细胞内插入两个电极，对细胞损伤很大，在小细胞如元，就难以实现，又因细胞形态复杂，很难保持细胞膜各处生物特性的一致。滔博生物TOP-Bright专注基于多种离子通道靶点的...

高阻封接问题的解决不仅改善了电流记录性能，还随之出现了研究通道电流的多种膜片钳方式。根据不同的研究目的，可制成不同的膜片构型。细胞吸附膜片(cell-attachedpatch)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，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，这种方式又称为细胞膜上的膜片记录。此时跨膜电位由玻管固定电位和细胞电位决定。因此，为测定膜片两侧的电位，需测定细胞膜电位并从该电位减去玻管电位。从膜片的通道活动看，这种形式的膜片是极稳定的，因细胞骨架及有关代谢过程是完整的，所受的...

实验溶液浸溶细胞溶液和微电极玻璃管内的填充液成分对全细胞膜片钳记录也是很重要的内容，这关系到封接的容易程度、细胞存活状态及膜电位的状态等。在实验记录过程中，尤其是神经生物学实验，需要迅速更换细胞浸溶液浓度以免受体敏感性降低（desensitization）或需要模拟快速突触反应的寿命。原则上细胞的浸溶液成分或玻璃管内填充液成分应该与细胞外或细胞内间质的成分相似，实际研究中，为了探讨某些通道或电位特性，对这些实验溶液的成分或浓度会作必要调整，没有哪种溶液是理想的。滔博生物TOP-Bright专注基于多种离子通道靶点的化合物体外筛选,服务于全球药企的膜片钳公司,快速获得实验结果,专业团队,7*46...

对药物作用机制的研究，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普遍的领域，既有对西药药物机制的探讨，也普遍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控制正常和“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。细胞膜由脂类双分子层和和蛋白质构成。进口细胞膜片钳...

高阻密封技术还***降低了电流记录的背景噪声，从而大幅提高了时间、空间和电流分辨率，如10μs的时间分辨率、1平方微米的空间分辨率和10-12年的电流分辨率。影响电流记录分辨率的背景噪声不仅来自膜片钳放大器本身，还来自信号源的热噪声。信号源就像一个简单的电阻，其热噪声为σn=4Kt△f/R其中σn为电流均方差的平方根，k为玻尔兹曼常数，t为温度，△f为测量带宽，R为电阻值。可以看出，为了获得低噪声电流记录，信号源的内阻必须非常高。如果在1kHz带宽、10%精度的条件下记录1pA的电流，信号源的内阻应该大于2gω。电压钳技术只能测量内阻为100kω~50mω的大电池的电流，常规技术和制备无法达到...

电压钳的原理∶用两根前列直径0.5um的电极插入细胞内，一根电极用作记录电极以记录跨膜电位，用另一根电极作为电流注入电极，以固定膜电位。从而实现固定膜电位的同时记录膜电流。电位记录电极引导的膜电位（Vm）输入电压钳放大器的负输入端，而人为控制的指令电位（Vc）输入正输入端，放大器的正负输入端子等电位，向正输入端子施加指令电位（Vc）时，经过短路负端子可使膜片等电较，即Vm=Vc，从而达到电位钳制的目的，并可维持一定的时间。Vc的不同变化将导致Vm的变化，从而引起细胞膜上电压依赖性离子通道的开放，通道开放引起的离子流反过来又引起Vm的变化，致使Vm≠Vc，Vc与Vm的任何差值都会导致放大器有电压...

实验溶液浸溶细胞溶液和微电极玻璃管内的填充液成分对全细胞膜片钳记录也是很重要的内容，这关系到封接的容易程度、细胞存活状态及膜电位的状态等。在实验记录过程中，尤其是神经生物学实验，需要迅速更换细胞浸溶液浓度以免受体敏感性降低（desensitization）或需要模拟快速突触反应的寿命。原则上细胞的浸溶液成分或玻璃管内填充液成分应该与细胞外或细胞内间质的成分相似，实际研究中，为了探讨某些通道或电位特性，对这些实验溶液的成分或浓度会作必要调整，没有哪种溶液是理想的。全细胞膜片钳记录是应用较早，也是普遍的钳位技术。德国全自动膜片钳ePatch的设计的一些亮点还包括：可以在软件中伴随数据进行实验记录，...

光遗传学调控技术是近几年正在迅速发展的一项整合了光学、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物技术。NatureMethods杂志将此技术评为"Methodoftheyear2010"[19]；美国麻省理工学院科技评述（MITTechnologyReview，2010）在其总结性文章"Theyearinbiomedicine"中指出：光遗传学调控技术现已经迅速成为生命科学，特别是神经和心脏研究领域中热门的研究方向之一。目前这一技术正在被全球几百家从事心脏学、神经科学和神经工程研究的实验室使用，帮助科学家们深入理解大脑的功能，进而为深刻认识神经、精神疾病、心血管疾病的发病机理并研发针对疾病干预和的...

向电极连续施加1mV、10~50ms的阶跃脉冲，电极入水后电阻约为4~6mΩ。此时，在计算机屏幕显示框中可以看到测试脉冲产生的电流波形。刚开始的时候增益不要设置太高，一般可以是1~5mV/PA，避免放大器饱和。由于细胞外液和电极液离子组成的差异导致液体接界电位，电极刚入水时测试波形的基线不在零线上。因此，需要将保持电压设置为0mV，并调整“电极不平衡控制”，使电极DC电流接近于零。当使用微操作器使电极靠近细胞时，当电极前缘接触细胞膜时，密封电阻指标Rm会上升，当电极轻微下压时，Rm指标会进一步上升。当通过细塑料管对电极施加轻微负压，且细胞膜特性良好时，Rm一般会在1min内迅速上升，直至形成G...

ePatch的设计的一些亮点还包括：可以在软件中伴随数据进行实验记录，你不用再专门拿一个实验记录本了，也不用再担心本本上记录的内容找不到对应的数据了，系统会把他们一一对应起来。电压电流刺激模式的编辑更为傻瓜，众多的模块，直接拖拽就可以，还伴随着示例图，让你对你编辑的程序一目了然。实时的全细胞参数估算，包括封接电阻，膜电容，膜电阻等重要参数强大的在线分析功能，包括电压钳模式下的I/Vgraph，eventdetection，FFT，以及电流钳模式下的APthresholddetection，APfrequency，APslope等数据可保存成多种格式，你要是个程序达人，可以支持使用Matlab进...

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）屯流钳素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。膜片钳技术实现膜电位固定的关键是在玻璃微电极前列边缘与细胞膜之间形成高阻（10GΩ）密封，使电极前列开口处相接的细胞膜片与周围环境在电学上隔离，并通过外加命令电压钳制膜电位。滔博生物TOP-Bright专注基于多种离子通道靶点的化合物体外筛选,服务于全球药企的膜片钳公司,快速获得实验结果,专业团队,7*4...

把膜电位钳位电压调到-80--100mV，再用钳位放大器的控制键把全细胞瞬态充电电流调定至零位（EPC-10的控制键称为C-slow和C-series;Axopatch200标为全细胞电容和系列电阻）。写下细胞的电容值Cc和未补整的系列电阻值Rs，用于消除全细胞瞬态电流，计算钳位的固定时间（即RsCc），然启根据欧姆定律从测定脉冲电流的振幅算出细胞的电阻RC。缓慢调节Rs旋钮注意测定脉冲反应的变化，逐渐增加补整的比例。如果RS补整非常接近振荡的阈值，RS或Cc的微细变化都会达到震荡的阈值，产生电压的振荡而使细胞受损。因此应当在RS补整水平写不稳定阈值之间留有10%-20%的余地为安全。准备资料...

离子通道结构研究∶目前，绝大多数离子通道的一级结构得到了阐明但根本的还是要搞清楚各种离子通道的三维结构，在这方面，美国的二位科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农做出了一些开创性的工作，他们到用X光绕射方法得到了K离子通道的三维结构，二位因此获得2003年诺贝系化学奖。有关离子通道结构不是本PPT的重点，可参考杨宝峰的和Hill的

电压钳的缺点∶电压钳技术目前主要用于巨火细胞的全细胞电流研究，特别在分子克隆的卵母细胞表达电流的鉴定中发挥其它技术不能替代的作用。但也有其致命的弱点1、微电极需刺破细胞膜进入细胞，以致造成细胞浆流失，破坏了细胞生理功能的完整性;2、不能测定单一通道电流。因为电压钳制的膜面积很大，包含着大量随机开放和关闭着的通道，而且背景噪音大，往往掩盖了单一通道的电流。3、对体积小的细胞（如哺乳类***元，直径在10-30μm之间）进行电压钳实验，技术上有更大的困难。由于电极需插入细胞，不得不将微电极的前列做得很细，如此细的前列致使电极阻抗很大，常常是60～-8OMΩ或120～150MΩ（取决于不同的充灌液）...

膜片钳技术是由诺贝尔奖获得者Neher和Sakmann于1976年发展起来的一种记录细胞膜离子通道电生理活动的技术。该技术的应用连接了细胞水平和分子水平的生理学研究，已成为现代细胞电生理学研究的常规方法。它广泛应用于生物学、生理学、病理学、药理学、神经科学、植物和微生物学，并取得了丰硕的研究成果。膜片钳技术点燃了细胞和分子水平生理学研究的**之火，并与基因克隆技术并驾齐驱，给生命科学研究带来了巨大的推动力。钙成像技术***用于实时监测神经元、心肌和各种细胞内钙离子的变化，从而检测神经元和心肌的活动。这些技术是人们观察神经和各种细胞活动的直接手段，现已发展成为生命科学研究的热点，也是国家自然科学...

在心血管药理研究中的应用，随着膜片钳技术在心血管方面的广泛应用，对血管疾病和药物作用的认识不仅得到了不断更新，而且在其病因学与药理学方面还形成了许多新的观点。正如诺贝尔基金会在颁奖时所说：“Neher和Sadmann的贡献有利于了解不同疾病机理，为研制新的更为的药物开辟了道路”。目前在离子通道高通量筛选中主要是进行样品量大、筛选速度占优势、信息量要求不太高的初级筛选。近几年，分别形成了以膜片钳和荧光探针为基础的两大主流技术市场。将电生理研究信息量大、灵敏度高等特点与自动化、微量化技术相结合，产生了自动化膜片钳等一些新技术。滔博生物TOP-Bright专注基于多种离子通道靶点的化合物体外筛选,服...

在形成高阻抗封接后，记录实验结果之前，通常要根据实验的要求进行参数补偿，以期获得符合实际的结果。需要注意的是，应恰当设置放大器的带宽，例如10kHz，这样在电流监测端将观察不到超越此频带以外的无用信息。膜片钳实验难度大、技术要求高，要掌握有关技术和方法虽不是很困难的事，但要从一大批的实验数据中，经过处理和分析，得出有意义、有价值的结果和结论，就显得不那么容易，有许多需要注意和考虑的问题，包括减少噪音，避免电极前端的污染，提高封接成功率，具体实验过程中还需要考虑如何选取记录模式，为记录特定离子电流如何选择电极内、外液，如何选择阻断剂、激动剂，如何进行正确的数据采集等许多更为复杂的问题，还需在科研...

膜片钳技术的建立1.抛光及填充好玻璃管微电极，并将它固定在电极夹持器中。2.通过一个与电极夹持器连接的导管给微电极内一个压力，一直到电极浸入记录槽溶液中。3.当电极浸没在溶液中时给电极一个测定脉冲（命令电压，如5-10ms，10mV）读出电流，按照欧姆定律计算电阻。4.通过膜片钳放大器的控制键将微电极前列的连接电位（junctionpotentials）调至零位，这种电位差是由于电极内填充溶液与浸浴液不同离子成分的迁移造成的。5.用微操纵器将微电极前列在直视下靠近要记录的细胞表面，并观察电流的变化，直至阻抗达到1GΩ以上形成"干兆封接"6.调整静息膜电位到期望的钳位电压的水平，使放大器从"搜寻...

把膜电位钳位电压调到-80--100mV，再用钳位放大器的控制键把全细胞瞬态充电电流调定至零位（EPC-10的控制键称为C-slow和C-series;Axopatch200标为全细胞电容和系列电阻）。写下细胞的电容值Cc和未补整的系列电阻值Rs，用于消除全细胞瞬态电流，计算钳位的固定时间（即RsCc），然启根据欧姆定律从测定脉冲电流的振幅算出细胞的电阻RC。缓慢调节Rs旋钮注意测定脉冲反应的变化，逐渐增加补整的比例。如果RS补整非常接近振荡的阈值，RS或Cc的微细变化都会达到震荡的阈值，产生电压的振荡而使细胞受损。因此应当在RS补整水平写不稳定阈值之间留有10%-20%的余地为安全。准备资料...

早在膜片钳诞生之前，20世纪50~60年代，Hodgkin与Hexley便发现并使用了电压钳技术，他们通过双电极电压钳在乌贼轴突上发现了动作电位的离子机制，并因此获得了诺贝尔生理医学奖。这也为后来膜片钳的诞生奠定了基础。于1976年，德国马克斯普朗克生物物理化学研究所的Neher和Sakmann第1次于青蛙的肌细胞上，用玻璃电极吸下了一小片细胞膜，记录导了皮安级的单通道离子电流，从而产生了膜片钳技术。1980年，耶鲁大学医学院Sigworth等人在记录电极内增加了负压吸引，实现了10-100GΩ的高阻抗封接，使得单电极可以同时实现钳制电位和记录单通道电流。1991年，Neher与Sakmann...

膜片钳的基本原理则是利用负反馈电子线路，将微电极前列所吸附的一个至几个平方微米的细胞膜的电位固定在一定水平上，对通过通道的微小离子电流作动态或静态观察，从而研究其功能。膜片钳技术实现膜电流固定的关键步骤是在玻璃微电极前列边缘与细胞膜之间形成高阻密封，其阻抗数值可达10～100GΩ(此密封电阻是指微电极内与细胞外液之间的电阻)。由于此阻值如此之高，故基本上可看成绝缘，其上之电流可看成零，形成高阻密封的力主要有氢健、范德华力、盐键等。此密封不仅电学上近乎绝缘，在机械上也是较牢固的。又由于玻璃微电极前列管径很小，其下膜面积只约1μm2，在这么小的面积上离子通道数量很少，一般只有一个或几个通道，经这一...

膜片钳的基本原理则是利用负反馈电子线路，将微电极前列所吸附的一个至几个平方微米的细胞膜的电位固定在一定水平上，对通过通道的微小离子电流作动态或静态观察，从而研究其功能。膜片钳技术实现膜电流固定的关键步骤是在玻璃微电极前列边缘与细胞膜之间形成高阻密封，其阻抗数值可达10～100GΩ(此密封电阻是指微电极内与细胞外液之间的电阻)。由于此阻值如此之高，故基本上可看成绝缘，其上之电流可看成零，形成高阻密封的力主要有氢健、范德华力、盐键等。此密封不仅电学上近乎绝缘，在机械上也是较牢固的。又由于玻璃微电极前列管径很小，其下膜面积只约1μm2，在这么小的面积上离子通道数量很少，一般只有一个或几个通道，经这一...

在心血管药理研究中的应用，随着膜片钳技术在心血管方面的广泛应用，对血管疾病和药物作用的认识不仅得到了不断更新，而且在其病因学与药理学方面还形成了许多新的观点。正如诺贝尔基金会在颁奖时所说：“Neher和Sadmann的贡献有利于了解不同疾病机理，为研制新的更为的药物开辟了道路”。目前在离子通道高通量筛选中主要是进行样品量大、筛选速度占优势、信息量要求不太高的初级筛选。近几年，分别形成了以膜片钳和荧光探针为基础的两大主流技术市场。将电生理研究信息量大、灵敏度高等特点与自动化、微量化技术相结合，产生了自动化膜片钳等一些新技术。滔博生物TOP-Bright专注基于多种离子通道靶点的化合物体外筛选,服...