小布Tips | 膜片钳技术的应用及研究案例解析

时间：2023-12-15 11:25:54

膜片钳技术

膜片钳（patch clamp）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。一整套系统主要包括放大器、电极拉制仪、显微镜、显微操作仪、防震台、显示器和数模转换器等。

膜片钳基本原理

膜片钳的基本原理是通过电极拉制仪将玻璃微电极的一端拉制成直径约1.5~3.0μm的尖端，通过负压吸引使尖端口与细胞膜形成千兆欧姆级的阻抗封接（高阻封接），尖端口内的细胞膜区域与周围其他区域形成了电学分隔，然后人工钳制此片区域细胞膜的电位，即可达到对膜片上离子通道电流的监测与记录。

膜片钳技术示意图

膜片钳技术的应用范围

1. 单离子通道(如钠、钾)的功能研究；
2. 心肌细胞离子通道研究（尤其与药物作用相关的）；
3. 常规与病理的离子通道作用机制研究；
4. 单细胞的形态与功能关系的研究；
5. 心血管药理学的研究；
6. 脑片膜片钳（可证实脑组织在体外也能存活并保持很好的活性状态，能使对脑细胞的研究更接近生理状态下的情况，可检验不同脑区间的神经通路与功能链接）；
7. 神经环路的研究（光遗传或化学遗传病毒载体表达的验证）；
8. 神经突触可塑性的研究。

脑片膜片钳技术

膜片钳于脑科学中的应用，主要为脑片膜片钳的研究。脑片膜片钳可以检测并记录离体脑片中细胞与细胞间的离子通道活动情况，也就是在一个接近真实生理状态下的脑环境中的电生理信号，通过对记录到的这些信号的分析，可以比较快速、直观地观察到脑细胞的放电情况。
常用于研究神经系统中单个细胞或不同区域之间的相互作用关系，如突触传递、神经元兴奋性和节律性等。也广泛用于神经突触可塑性、学习记忆、中枢神经系统疾病以及抗衰老研究。

膜片钳技术最初开发用于记录流经细胞膜中通道蛋白的离子电流，现已成为神经科学工具的中坚力量。基于脑片膜片钳技术的细胞电生理研究案例：

常用指标：

1. 细胞兴奋性研究：全细胞模式记录神经元动作电位发放（action potential，AP），记录信号指标包括动作电位频率、膜电位、阈值、峰间隔、潜伏期、波宽等指标，反映细胞整体兴奋性。
2.细胞兴奋性及抑制性突触后电流研究：全细胞模式检测微小兴奋性及抑制性突触后电流（mEPSC、mIPSC）和自发兴奋性及抑制性突触后电流（sEPSC、sIPSC）。
3.突触可塑性研究：局部场电位强度(fEPSP slope)、全细胞模式记录长时程增强（Long-Term Potentiation，LTP）以及长时程抑制（Long-Term Depression，LTD），反映突触可塑性，学习记忆等细胞突触机制。

示例一

CPN和PV+cal神经元(胼胝体输入调控PV神经元)形成一个跨胼胝体抑制环，介导半球间平衡。光遗传激活PV+cal神经元的诱导同侧CPN神经元IPSC信号强度明显大于其他类型锥体神经元IPSC信号（PMID: 37626171）

示例二

图源：PMID:37794596

NTS投射到PVT脑区神经元的全细胞记录（K）从PVT逆向标记的NTS EGFP+细胞的全细胞记录示意图；（L）NTS EGFP+神经元的sEPSC频率；（M）NTS EGFP+神经元的动作电位频率；（N）NTS EGFP+神经元的静息膜电位

示例三

图源：PMID: 37352098

星形胶质细胞Ca²⁺信号通路的抑制导致恐惧记忆的形成和TA-CA1突触可塑性的损害（I）fEPSP记录示意图；（J）TA-CA1 fEPSP斜率的增强

总结

膜片钳技术发展至今，已经成为现代细胞电生理的常规方法，它不仅可以作为基础生物医学研究的工具，而且直接或间接为临床医学研究服务。

布林凯斯现可承接在体电生理（LTP、LTD）记录和离体电生理电流钳（动作点位AP）、电压钳（EPSC、IPSC）记录。此外，我们还可提供脑电图(EEG)、肌电图（EMG）、心电图 (ECG)等记录服务。