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1、1 1 膜片钳与膜片钳与LTPLTP 天津中医药大学第二附属医院 王凯 2014.5 2 2 来源和机理来源和机理 细胞膜由脂质双分子层和蛋白质组成 ，蛋白质又包括整合蛋白和表面蛋白 。 离子通道是一种特殊的膜蛋白，它横跨 整个膜结构。 带电离子在膜内外的不同分布态势和在 不同状态下的动态变化是可兴奋细胞静 息电位和动作电位的基础。这些无机离 子通过离子通道的进出所产生的电活动 是生命活动的基础。 细胞膜的结构和离子通道 3 3 1.结构研究：分子生物学方法确定蛋白质序列；X光绕 射方法确定其三维立体结构。 2.功能研究：电生理测定通过离子通道的电流或测量细 胞膜电流或膜电位的变化，反映离子通
2、道个体或群体的分 子活动。 3.结构和功能相结合：利用基因突变技术在一级结构 的特定部位删除、添加或改变残基的序列，然后检测突变 后的功能改变。 如何研究离子通道如何研究离子通道 4 4 美国的两位科学家 彼得阿格雷 罗德里克麦金农 利用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 年诺贝尔化学奖。 结构研究结构研究 5 5 采用记录离子通道电流来间接反映离子通 道功能，目前有如下两种技术 电压钳(Voltage clamp)技术 膜片钳(patch clamp)技术 离子通道功能观察离子通道功能观察 6 6 20世纪初由Cole发明，Hodgkin和Huxley完善，目的
3、 是为了证明动作电位的峰电位是由于膜对钠的通透性 发生了一过性的增大过程。但当时没有直接测定膜通 透性的方法，于是就用膜对某种离子的电导来代表该 种离子的通透性。 电压钳技术电压钳技术(Voltage Clamp)(Voltage Clamp) cole K+电流 Na+电流 7 7 电压钳技术目前主要用于巨大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： 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。 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
4、噪音大，往往 掩盖了单一通道的电流。 对体积小的细胞(如哺乳类中枢神经元，直径在1030m 之间)进行电压钳实验，技术上有更大的困难。 电压钳的缺点电压钳的缺点 8 8 为了弄清膜电导变化的机制和离子通道的 存在，也为了克服电压钳的缺点，Erwin Neher和 Bert Sakmann在电压钳的基础上发 明了膜片钳，并利用该技术首次在蛙肌膜上 记录到PA级(10-12A)的乙酰胆碱激动的单通 道电流,首次证明了离子通道的存在。并证 明在完整细胞膜上记录到的膜电流是许多单 通道电流总和的结果。这一技术被誉为与分 子克隆技术并驾齐驱的划时代的伟大发明。 二人因此而获得诺贝尔生理或医学奖。 (Ne
5、her) (Sakmann) 膜片钳（膜片钳（Patch Clamp)Patch Clamp) 9 9 基本原理基本原理 利用尖端直径0.5-1um的玻璃电极吸附到细 胞膜表面，通过负压吸引使电极尖端和细胞 膜形成紧密封接，使与电极尖开口处相接的 细胞膜小片区域（patch）与其周围在电学上 绝缘，在此基础上固定膜电位(clamp)，然后 对电极尖端下面积仅为几平方微米的细胞膜 片上一个或几个离子通道的电流进行记录。 核心部分是一场效应管运算放大器构成的I- V转换器，它的正负输入端子为等电位。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位，从而达到电位钳制 的目的。离子
6、通道电流可作为I-V转换器内的 高阻抗反馈电阻的电压降而被检测出。 10 10 电子学部件:放大器； 计算机接口，数据采集 、分析系统。 光学部件和光电接口： 显微镜；监视器等。 机械系统:防震台等。 辅助系统：电极拉制器 ；切片机；孵育槽；灌 流系统等 膜片钳实验系统组成膜片钳实验系统组成 11 11 膜片钳的几种记录模式膜片钳的几种记录模式 膜电位或膜电流膜电位或膜电流 单通道电流单通道电流 12 12 1.液体配制：主要根据研究通道的不同，配制相应的液体，基本原则是保持两 个平衡：渗透压平衡和酸碱平衡。所有液体在使用前必须过滤。 2.标本制备 3.记录 4.资料分析： （1）一般电学性质
7、：通过I-V关系计算单通道电导，观察通道有无整流。通过离子选 择性、翻转电位或其它通道激活条件初步确定通道类型。 （2）动力学：开放时间、开放概率、关闭时间、通道的时间依赖性失活、开放与关闭 类型（簇状猝发样开放与闪动样短暂关闭），化学门控性通道的开、关速率常数等。 （3）通过对全细胞激活曲线或失活曲线的分析，可得到半数激活或失活电压Vh及斜率 因子K。 （4）药理学：阻断剂、激动剂或其它调制因素对通道活动的影响。 （5）综合分析得到最后结论。 膜片钳实验的基本过程膜片钳实验的基本过程 13 13 250 ms 400 pA mEPSC sEPSC、mEPSC 突触电流突触电流 14 14 此
8、项技术首先要使电极和细胞形成高阻封接，而要成功形成高阻封接，除了制 备合符要求的电极外，制备活性好的细胞是必须的，要求细胞表面光滑，有弹性 ，表面无麻斑。 如果有关实验要在脑片上进行，就涉及到脑片制作，适用于膜片钳研究的脑片 制作尤其是成年动物的脑片制作尤其难，因此，有人说膜片钳的成功80%在于标 本的制备。 传统膜片钳技术每次只能记录一个细胞，而且从找细胞、形成封接、破膜等整 个过程都需人工操着，任何一个环节都有可能失败，而如果细胞质量不好，成功 率更低，因此，对实验人员来说是一项耗时耗力的工作，即使有经验的人员，一 天也只能成功记录10-20个细胞，而脑片实验往往每天只能得到1-2个实验数
9、据， 一个实验课题往往要几个月时间才能完成，因此要求实验者要有充裕的时间进行 此项工作。 膜片钳实验的难点膜片钳实验的难点 15 15 膜片钳技术的应用膜片钳技术的应用 细胞特性的研究 离子通道的鉴别 电压门控性离子通道的动力学特性研究 突触联系、突触传递的研究 疾病机制研究 药物筛选 其他 16 16 长时程增强（LTP）是评价学习记忆及其突触可塑的常用的电生 理指标。目前，海马脑片离体实验己经广泛用于学习记忆方面的 研究，利用膜片钳技术记录脑片LTP，可在细胞水平研究学习记 忆的机制。 当今从不同方面对突触LTP与学习记忆的关系进行了大量的研究 ，其结果大致可概括为： l影响LTP的因素确
10、实对学习研究过程产生明显的影响 l影响学习过程的因素也影响LTP形成 l诱导海马脑区的LTP形成可提高学习记忆活动，学习过程中伴 有海马脑区LTP的形成。 突触可塑、学习记忆及其机制的研究突触可塑、学习记忆及其机制的研究 17 17 膜片钳技术的联合应用膜片钳技术的联合应用 膜片钳和钙图像技术的联合应用 Ca2+是重要的信使物质，Ca2+ 的信使功能是通过调控细胞内游离Ca2+ 浓度来实现的。Ca2+ 信号的产生和终止是细胞内Ca2+ 增减、波动的结果。因此测定细胞溶质中的Ca2+ 浓度是 十分重要的。 钙荧光指示剂法是目前应用最广泛的, 也是较好的测定胞内Ca2+ 浓度的方法。目前常用孵 育
11、法将荧光指示剂如Fura-2/AM导入细胞。因为荧光指示剂被酯化后, 很容易跨过质膜进 入细胞内。在胞内, 酯形式指示剂被非特异性酯酶水解, 重新与Ca2+ 结合，在340nm 380nm 的荧光强度比值能够很好的反映Ca2+ 浓度。应用酯类的荧光物质负载进入细胞的方 法尽管较为简便,但是,荧光染料会累积在胞内的酸性细胞器中(称为隔室效应) ,而不是与 细胞胞浆内的游离Ca2 + 相结合,因此会导致测量上的误差,且这种方法不适用于植物细胞 ，因为植物细胞的质膜存在非特异性酯酶，导致指示剂未进入胞内即被水解，利用膜片钳 的全细胞技术，可将荧光探针直接导入细胞，从而避免隔室效应，也可通过膜片钳电极
12、将 细胞内的荧光探针抽吸稀释掉，从而测定细胞器（线粒体，内质网等）内的游离钙离子浓 度。将膜片钳和钙图像技术联合应用可在测定细胞内游离Ca2+离子浓度的同时检测离子通 道的功能改变。 18 18 学习记忆的主要研究手段 行为学：水迷宫，八臂迷宫，fear conditioning，跳台， 穿梭箱 突触可塑性：主要包括长时程增强（long-term potentiation, LTP）和长时程抑制（long-term depression，LTD） 分子生物学：钙调蛋白激酶II（CaMKII），CREB，PKA等 LTPLTP 19 19 LTP学习记忆的细胞学基础 在突触前给予高频电刺激后，随
13、后的单个刺激引起的突触后诱 发电位的幅度将显著增大，诱发电位的潜伏期缩短，这种现象可 持续很长时间，在活体动物可持续几天到几个星期，在离体标本 可持续几个小时，这就是LTP现象。 LTP诱导机制 已经肯定有突触前谷氨酸递质和突触后谷氨酸受体（尤其是 NMDA受体）、细胞内游离钙离子的参与。 LTPLTP 20 20 突触可塑性是学习记忆研究方 面近年来进展最快、成果最大 的研究领域。很多脑区都发现 了突触可塑性现象，如小脑、 海马、皮层以及伏隔核等。 海马区主要有三个突触回路，包括： （1）前穿质纤维-齿状回通路，即PP-DG pathway （2）苔状纤维-海马CA3通路，即MF-CA3 p
14、athway （3）Schaffer纤维-CA1通路，即SCCP-CA1 pathway LTPLTP 21 21 高频刺激突触前纤维引起突 触前神经元去极化，引发谷 氨酸类神经递质大量释放； 谷氨酸类神经递质作用于突 触后的AMPA受体，引起细胞 膜的去极化，解除镁离子对 NMDA受体的阻滞使该受体激 活并进一步引起大量的钙离 子内流； 电生理记录上反映为EPSP 或EPSC幅度的增加，即 LTP。 钙内流引发一系列胞内信号 通路激活和生化反应发生， 使突触后反应能力增加； LTPLTP原理原理 22 22 海马脑片海马脑片LTPLTP 记录电极 海马脑片上电极的放置 23 23 在体在体L
15、TPLTP 刺激电极: 采用针灸针，多为 双极电极 定位坐标(mm)：AP 8，LM 4 ，DV 3.2-3.5 记录电极：采用针灸针，为单 极电极 定位坐标(mm)： AP 4，LM 2 ，DV 3.2-3.5 AP anteroposterior 前囟前后 LM lambda 人字缝尖 DV dorsoventral 颅骨（硬脑膜）平面向下 大鼠体重：180-240g 24 24 在体在体LTPLTP和膜片钳脑片和膜片钳脑片LTPLTP的区别的区别 在体海马LTP的优势在于能较真实的反映生理状态下神 经突触活动的情况，在整体条件下观察神经突触活动的 变化，利于宏观角度研究和探讨相关机理。脑片标本可 提供与在体相似的突触结构和神经环路，其优势在于排 除活体血压、温度、电解质、血脑屏障等干扰因素，按 照不同的实验目的可改变脑片灌流液的成分和条件。 25 25 25
