膜片钳实验技术(高级生理课程,201310)

宁波神经生物学膜片钳技术原理神经科学中，膜片钳技术是一种非常重要的实验方法，可以用于记录细胞内外的电位变化。

宁波神经生物学膜片钳技术是一种经典的膜片钳技术，它是由中国神经科学家于1976年发明并发表的。

宁波神经生物学膜片钳技术是一种完美结合电荷动力学和化学物理学原理的技术，能够非常精确地记录神经元膜内外的电位变化。

宁波神经生物学膜片钳技术使用的是一种特殊的仪器，称为电压钳扳平仪。

它能够通过光学系统将微小的电压变化转换成可视化的信号。

在这个仪器的帮助下，实验者可以观察到细胞内的微小电位变化。

通常，这种变化只有几毫伏甚至只有几微伏。

该技术主要是通过控制电压钳的外径，使之与神经细胞的细胞膜缩在一起。

一旦电压钳缩在神经细胞膜上，就能够记录该细胞内外的电位变化。

使用宁波神经生物学膜片钳技术进行记录时，需要将一小块玻璃切成一小片，并将其与电压钳结合。

之后，将整个电路与一片外部电极连接，从而能够读取到神经细胞内外的电位变化。

一旦成功固定上述组件，实验者就可以观察到神经细胞膜上的电压变化。

通过对电位变化进行分析，实验者可以非常准确地计算神经细胞离子通道的开放概率。

宁波神经生物学膜片钳技术是一种非常重要而且精确的实验方法，能够帮助神经生物学研究者更好地了解神经元的电学性质。

该技术能够以先进、精确的方式记录细胞内外的电压变化，并通过对这些变化进行分析，获得对离子通道开放概率的准确计算。

利用宁波神经生物学膜片钳技术可以更深入地了解神经元病理生理学，为探索神经系统的基本问题提供有力的工具。

除了记录神经元膜内外的电位变化，宁波神经生物学膜片钳技术还可以用于研究离子通道动力学和突触传递。

利用该技术可以研究离子通道的不同类型、大小及其开放概率等，以及神经元膜上不同离子通道的作用关系，这对于理解神经元的电气特性和调节机制非常重要。

宁波神经生物学膜片钳技术还可以研究神经元突触传递信号的方式。

通过记录神经元膜内外电位变化，可以观察到神经元突触释放的神经递质导致的膜电位变化，并对神经元突触传递功能进行研究。

膜片钳技术及其应用21世纪被称为生物学世纪，近数十年来，生命科学与生物技术取得了迅猛发展。

任何一项新的生物技术的诞生，均意味着生命科学的某个或某些领域将获得新的生命，其内容和内涵将得到扩大和延伸。

膜片钳技术的创建也为生命科学的研究带来了一场革命性的变化。

简介细胞是动物和人体的基本组成单元。

细胞外围有一层薄膜，彼此分离又互相联系。

细胞间与细胞内的通信，主要依靠其膜上的离子通道来进行。

离子和离子通道是细胞兴奋性的基础，亦即产生生物电现象的基础。

生物电信号通常是用电学或电子学方法进行测量，由此形成一门用以揭示细胞生理过程的细胞电生理学。

早期的研究多使用双电极电压钳技术作胞内记录，自40年代末细胞膜和离子学说建立以来，细胞电活动的研究逐渐深入。

在1976～1981年期间，两位德国细胞生物学家Erwin Neher和Bert Sakmann所开创的膜片钳技术（patch clamp technique）为细胞生理学的研究带来了一场革命性的变化，膜片钳实验技术是对细胞和分子水平的生理学研究方法的一次革命，因而两位科学家于1991年荣获诺贝尔生理学或医学奖。

膜片钳实验技术为生理学、神经科学、细胞生物学等生命科学专业的研究和发展带来了新的生命。

膜片钳技术的发展历史膜片钳技术的发展历史也是一个科学的发展历程，回顾此过程或许对我们现在的研究和对问题的看法有所启示。

膜片钳技术的创立是建立在前人发明的电压钳(V oltage-clamp)和电流钳（Current-clamp）以及玻璃微电极(Glass micro-pipettee)的基础之上。

电压钳首先是由George Marmont和美国学者Kenneth S. Cole等提出，随后英国学者Alan L. Hodgkin、Andrew F. Huxley和Bernard Katz等最先应用的。

早在19世纪末20世纪初，Julius Bernstein就神经的电脉冲提出了“细胞膜假说”（membrane hypothesis）（1902和1912年），推测神经细胞的静息电位（resting potential）是由细胞膜对K＋离子的选择性通透所形成，而神经元的兴奋（即动作电位，action potential）是由于细胞膜对K＋离子的选择性通透性丧失所造成。

膜片钳技术膜片钳技术80年代初发展起来的膜片钳技术(patch clamp technique)为了解生物膜离子单通道的门控动力学特征及通透性、选择性膜信息提供了最直接的手段。

该技术的兴起与应用，使人们不仅对生物体的电现象和其他生命现象更进一步的了解，而且对于疾病和药物作用的认识也不断的更新，同时还形成了许多病因学与药理学方面的新观点。

本文拟对膜片钳的基本原理及在心血管研究中的应用作一综述。

1膜片钳技术基本原理与特点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，在小细胞如中枢神经元，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。

膜片钳的基本原理则是利用负反馈电子线路，将微电极尖端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尖端边缘与细胞膜之间形成高阻密封，其阻抗数值可达10～100 GΩ(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。

又由于玻璃微电极尖端管径很小，其下膜面积仅约1 μm2，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，经这一个或几个通道流出的离子数量相对于整个细胞来讲很少，可以忽略，也就是说电极下的离子电流对整个细胞的静息电位的影响可以忽略，那么，只要保持电极内电位不变，则电极下的一小片细胞膜两侧的电位差就不变，从而实现电位固定。

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旳离子电流来反映细胞膜上单一旳或多数旳离子通道分子活动旳技术。

1981 年Hamill, Neher 等人又对膜片钳实验措施和电子线路进行了改善，形成了当今广泛应用旳膜片钳实验技术。

该技术可应用于许多细胞系旳研究，也是目前唯一可记录一种蛋白分子电活动旳措施，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旳迈进动力，这一伟大旳奉献，使Neher 和Sakmann 获得1991 年诺贝尔医学与生理学奖。

一、膜片钳技术旳基本原理用一种尖端直径在1.5~3.0μm 旳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旳阻抗封接，此时电极尖端下旳细胞膜社区域（膜片，patch）与其周边在电学上分隔，在此基本上固定（钳制，Clamp）电位，对此膜片上旳离子通道旳离子电流进行监测及记录。

基本旳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旳核心设备，具有高敏捷度、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旳同步记录离子流经通道所产生旳电流。

膜片钳放大器旳核心部分是以运算放大器和反馈电阻构成旳电流-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旳水平上。

二、操作环节1.膜片钳微电极制作(1) 玻璃毛细管旳选择：有二种玻璃类型，一是软质旳苏打玻璃，另一是硬质旳硼硅酸盐玻璃。

软质玻璃在拉制和抛光成弹头形尖端时锥度陡直，可减少电极旳串联电阻，对膜片钳旳全细胞记录模式很有利；硬质玻璃旳噪声低，在单通道记录时多选用。

玻璃毛细管旳直径应符合电极支架旳规格，一般外部直径在1.1~1.2mm。

膜片钳记录和分析技术2010-12-15 16:41 来源：美国分子仪器点击次数：232186关键词：膜片钳细胞信号分享到：・收藏夹・腾讯微博* 新浪微博« 开心网习夏细胞是动物和人体的基本组成单元，细胞与细胞内的通信，是依靠其膜上的离子通道进行的, 离子和离子通道是细胞兴奋的基础，亦即产生生物电信号的基础，生物电信号通常用电学或电子学方法进行测量。

由此形成了一门细胞学科-电生理学(electrophysiology )，即是用电生理的方法来记录和分析细胞产生电的大小和规律的科学。

早期的研究多使用双电极电压钳技术作细胞内电活动的记录。

现代膜片钳技术是在电压钳技术的基，上发展起来的1976年德国马普生物物理研究所Neher和Sakmann创建了膜片钳技术(patch clamp recording 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单一的(或多个的离子通道分子活动的技术)。

以后由于吉欧姆阻抗封接(gigaohm seal, 109W)方法的确立和几种方法的创建。

这种技术点燃了细胞和分子水平的生理学研究的革命之火，它和基因克隆技术( gene cloning )并架齐驱，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年度的诺贝尔生理学与医学奖、膜片钳技术发展历史1976年德国马普生物物理化学研究所Neher和Sakmann首次在青蛙肌细胞上用双电极钳制膜电位的同时，记录到ACh激活的单通道离子电流，从而产生了膜片钳技术。

1980年Sigworth等在记录电极内施加5-50 cmH20的负压吸引，得到10-100GW10-100G? 的高阻封接（Giga-seal ），大大降低了记录时的噪声实现了单根电极既钳制膜片电位又记录单通道电流的突破。

1981年Hamill和Neher等对该技术进行了改进，引进了膜片游离技术和全细胞记录技术，从而使该术更趋完善，具有1pA的电流灵敏度、1g m的空间分辨率和10g s的时间分辨率1983年10月，《Single-Channel Recording》一书问世，奠定了膜片钳技术的里程碑。

9.1膜片钳实验技术应用1背景知识细胞膜上的离子通道与膜内外不同类型离子构成细胞兴奋的基础，离子进出细胞产生了生物电信号，这通常用电学或电子学方法进行测量，进而逐渐形成一门细胞研究学科—电生理学（Electrophysiology），它是采用电生理方法来记录和分析细胞产生电的大小和规律的科学。

早期的电生理方法多使用双电极电压钳技术来记录细胞内的电活动。

1976年德国马普生物物理化学研究所生物Neher和Sakmann首次在青蛙肌细胞上用双电极钳制膜电位的同时，记录到ACh激活的单通道离子电流，从而产生了膜片钳技术（patch clamp recording technique）。

1980年Sigworth等在记录电极内施加5-50cmH2O的负压吸引，得到10-100GΩ的高阻封接（Giga-seal），大大降低了记录时的噪声实现了单根电极既钳制膜片电位又记录单通道电流的突破。

1981年Hamill和Neher等对该技术进行了改进，引进了膜片游离技术和全细胞记录技术，从而使该技术更趋完善，具有1pA的电流灵敏度、1μm的空间分辨率和10μs的时间分辨率。

1983年10月，《Single-Channel Recording》一书问世，奠定了膜片钳技术的里程碑。

Sakmann和Neher也因其杰出的工作和突出贡献，于1991年荣获诺贝尔医学和生理学奖。

膜片钳技术的建立，对生物学科学特别是神经科学是一具有重大意义的变革。

这是一种以记录通过离子通道的离子电流来反映细胞膜单一的（或多个）的离子通道分子活动的技术。

正如1991年诺贝尔颁奖词所述，膜片钳技术点燃了细胞和分子水平的生理学研究的革命之火，为细胞生理学的研究带来一场革命性的变化，它和基因克隆技术（gene cloning）并驾齐驱，给生命科学研究带来巨大的前进动力。

膜片钳(patch clamp)按工作方式可区分为电压钳(voltage clamp)和电流钳(current clamp)。

膜片钳实验技术入门------基本原理与操作关兵才 李国华 刘理望按：本文乃于2003年根据较旧型号的仪器写成，后被《机能实验科学》 （郑先科主编，北大医学版，2006）收入。

因新旧仪器基本原理和操作步骤大同小异，现对原文略作修改和标注，供同学们参考。

【实验目的】1. 了解膜片钳技术的基本原理和操作。

2. 初步学习电压依赖性离子通道电流的基本记录方法。

【实验原理】一、膜片钳技术原理简介膜片钳(patch clamp)是一种主要用于检测细胞膜离子通道活动的电生理技术，按工作方式可区分为电压钳(voltage clamp)和电流钳是最基本的工作方式，即对细胞膜电位进行人为控制，如将膜电位钳制于某一固定水平，或在此基础上再施以阶跃(step)式或斜坡式(ramp)电压刺激，同时记录跨膜电流，从而分析细胞膜通道的活动。

电流钳即人为控制经微电极对细胞进行注射的电流（等于离子通道电流与细胞膜电容电流之和），同时记录膜电位及其变化。

若注射电流为零即常用的零位钳流，用于测量细胞膜静息电位，若注射方波脉冲刺激电流，用于诱发、观测动作电位。

另外，膜片钳技术还常用于观测细胞膜电容, 从而推测分泌细胞的活动情况。

下面主要介绍其电压钳工作方式的基本原理。

（注：在电生理资料中，因通常将细胞外液和记录系统的“地”点相连作为参考点即零电位点，所以电位和电压两个概念经常混用。

）根据膜片钳实验中受检细胞膜的型式（configuration）不同，又可将膜片钳分为全细胞式(whole-cell)、细胞贴附式(cell-attached 或on-cell)、内面朝外式(inside-out)、外面朝外式(outside-out)等四种模式。

(一)全细胞式1．电压钳制和电流记录的实现图9-9为全细胞式膜片钳工作原理示意图。

图9-9 全细胞膜片钳实验原理示意图A1：运算放大器；A2：单倍增益差动放大器；R f：反馈电阻；V p：电极电位（A1反向输入端电位）；V c：A1同向输入端电位；C in：输入端杂散电容；C p：电极电容；Rs：串联电阻；C m：细胞膜电容；R m：细胞膜电阻；E m：细胞膜内在电位(指钳压时的细胞膜诸通道状态决定的内在Goldman-Hodgkin-Katz平衡电位)；V o：A2输出端电位；V-offset：偏移电位补偿电位；C c：用于电容补偿的电容；V c(app)：表观钳制电压即欲施加于受试膜片的电压；图中⊕和表示求和电路将充有电解质溶液的玻璃微电极（glass microelectrode或 recording pipette）利用负压紧密吸附于细胞表面，形成吉欧即千兆欧（109Ω）级高阻封接，进一步对微电极内施加负压、将放大器（以下简称运放）A1在深度负反馈工作状态下的“虚短路（virtual short circuit）”原理实现，即只要A1工作于线性范围内，其反向输入端的电位V p总是等于同向输入端的电位V c，这两个输入端之间虽非短路却类似于短路。

徐州细胞生物学膜片钳电生理技术原理及步骤
徐州细胞生物学膜片钳电生理技术是一种研究细胞膜离子通道的有效方法，其原理基于细胞膜上存在离子通道，可以使用微型电极记录离子通道的开放和关闭过程。

该技术以下列步骤进行：
1.制备微型电极：将细的玻璃管拉制成具有微小开口的电极，称为玻璃微针电极。

2.制备膜片：从细胞培养皿中取出细胞，并在适当的缓冲液中制成膜片，通常使用人工贴附法或机械剪切法制备薄膜。

3.在膜片上形成电极：将玻璃微针电极与膜片接触，通过微小的吸引力将玻璃微针电极吸附在膜片上。

4.形成紧密接触：通过微小的压力和真空吸附使玻璃微针电极与膜片紧密连接。

5.记录电流：使用电极记录器测量微小电流变化，记录离子通道的活动。

通过这些步骤，可以实现对单个离子通道的记录和分析，从而研究离子通道的特性和功能。

脑片膜片钳实验方法文献综述一1966年，Yamamoto和McIlwain首次在脑片上记录了电生理活动(1966a, b)，证实了脑组织在体外也能存活，并保持很好的活性状态。

此后，该方法在生理学研究中的应用越来越广泛，并为中枢神经系统生理和药理学领域突飞猛进的发展奠定了基础。

1989年，Blanton将脑片电生理记录与细胞的膜片钳记录结合起来，建立了脑片膜片钳记录技术，这为在细胞水平研究中枢神经系统离子通道或受体在神经环路中的生理和药理学作用及其机制提供了可能性。

在脑片电生理记录中，实验者可以按不同的实验目的直接准确地改变脑片灌流液的成份和条件，如温度、酸度和渗透压、通氧状态、以及离子通道或细胞信号转导通路的阻断剂等；另外，实验者还能借助显微镜准确地放置记录电极和刺激电极，同时，可借助一些特殊的加药装置，将一定浓度的药物加到整个脑片或是脑片上的特定区域上，研究电信号沿神经环路的传递规律。

在电生理学实验结束后，活性较好的脑片还可用于生物化学或解剖学的分析。

这些优点使实验者能获得准确的神经生理学的研究结果，也是其应用较在位大脑广泛的原因所在。

海马脑片是中枢神经系统研究中应用最为广泛标本之一。

其原因有以下几点：1、海马与脑的其它部位相对隔离，较易剥离，且剥离后受到的损伤较小；2、海马具有高度分化的片层结构，一方面，海马神经环路在片层中的分布有一定的空间规律，如锥体细胞胞体分布在锥体细胞层，而雪氏侧支突触分布于辐射层，且海马中存在一个三突触联系的回路，即穿通纤维-齿状回颗粒细胞层、苔状纤维-CA3区锥体细胞层、雪氏侧支-CA1区锥体细胞层等，因此，在海马中可以较准确地记录到特定神经元或突触的反应；另一方面，这种板层结构有利于解释在某一部位记录到的细胞外场电位的意义。

这些都使海马成为电生理学研究的理想标本。

本文对海马脑片膜片钳的操作规程及注意事项总结如下。

一、海马脑片的制备脑片制备中，海马分离应在断头后10分钟内完成，5~6分钟为宜。

膜片钳记录系统仪器简介：膜片钳技术是细胞电生理方面的高端技术，是研究细胞膜离子通道的重要工具。

目前细胞膜离子通道的研究已经应用到了药物作用、环境对细胞膜离子通道的影响、神经网络研究以及疾病的诊断和治疗等多个领域。

膜片钳技术是神经科学、心血管、药物学和药效学、功能基因组学和许多遗传病深入研究的有力手段。

仪器名称：膜片钳记录分析系统主要设备：PC-2B放大器、AXON200B放大器、正置显微镜、倒置显微镜、NIR-DIC 成像系统、水镜头、微操纵器、微电极拉制仪、抛光仪、振动切片机等。

仪器功能及应用范围：单细胞膜片钳记录（急性分离细胞、培养细胞）、脑片膜片钳记录（盲法、可视法）收费标准：培训费：1个月以内—500元；1~3个月—1000元。

指导操作：院内20元/小时，院外40元/小时。

独立操作：院内60元/天，院外120元/天（由两位指导老师认可培训合格，方可进行独立操作）。

开放时间：周一至周五管理规定：⑴膜片钳记录分析系统属于高端精密仪器，因此任何进入本室进行膜片钳实验的人员，必须经过本室专门人员培训合格认可后，经允许方可进行膜片钳放大器、微操纵器、拉制仪、切片机、显微镜等仪器的操作。

⑵在实验过程中，必须严格按照实验流程进行操作，不得擅自更改操作步骤，不许自行调改仪器设置，以免造成仪器毁损。

⑶仪器损坏赔偿事宜按照我室赔偿制度进行处理。

⑷统一安排实验时间，使用仪器后作登记。

⑸实验人员负责当天的水电安全和室内卫生。

脑片膜片钳实验流程(PC-2B)一、脑片制作1.配制新鲜蔗糖溶液（4°C）和NaCl孵育液（室温，20~25°C）各1L。

2.用丙酮浸泡刀片30 min。

3.麻醉动物：爪蟾—MS-222，大鼠—乌拉坦。

4.解剖动物，取脑组织。

5.切片：根据不同的动物和组织选择不同的方案。

方案一：低熔点琼脂包埋组织后进行切片。

方案二：普通琼脂作托进行切片。

6.处理脑片：蔗糖溶液中40～60min（4°C或32°C）。