[发明专利]用于电生理学分析的手持装置

说明书

技术领域

本发明涉及手持系统，其用于分析含有离子通道的膜的离子通道的电生理学特性，该膜通常为含有脂质膜的结构，例如细胞。另外，本发明涉及基质和用于建立电生理学测量构型的方法，其中一个或多个细胞膜在具有测量电极的构型中形成高电阻密封，使得能够确定和监测通过细胞膜的电流。

背景技术

Neher、Sakmann和Steinbach在“The Extracellular Patch Clamp,A Method For Resolving Currents Through Individual Open Channels In Biological Membranes”,Pflueger Arch.375;219-278,1978中概述了电气绝缘膜片和在膜片处于电压钳条件下研究离子通道的总体概念。作者发现，通过将含有乙酰胆碱（ACh）的移液管压靠肌细胞膜的表面，可以在电流中看到离散的跳动，这可归因于ACh活化的离子通道的打开和关闭。然而，他们受限于他们的工作之处在于，移液管的玻璃和膜之间的密封的电阻（10-50MW）相对于通道的电阻（10GW）非常小。由此密封导致的电噪声不利地与电阻相关，并且大到足以妨碍电流流过离子通道，离子通道的电导系数小于ACh通道的电导系数。由于将引起的通过密封的大电流，这还将移液管中的电压钳抑制到与容器的电压钳不同的值。

于是发现的是，通过火花抛光玻璃移液管和通过对移液管的内部进行抽吸，可以对细胞的表面获得非常高电阻（1-100GW）的密封。这种千兆密封将噪声成数量级地降低到可以研究所关注的大部分生物通道且极大地延伸了可以进行这些研究的电压范围的水平。这种改进的密封被称为“千兆密封”，并且移液管被称为“膜片移液管”。千兆密封的更加详细的描述可见于O.P.Hamill,A.Marty,E.Neher,B.Sakmann&F.J.Sigworth:Improved patch-clamp techniques for high resolution current recordings from cells and cell-free membrane patches.Pflugers Arch.391,85-100,1981。对于他们在发展膜片钳技术中的工作，Neher和Sakmann被授予1991年的生理和医学诺贝尔奖。

离子通道是横跨膜蛋白质，其将无机离子催化传送跨过细胞膜。离子通道不同地参与各种过程，以产生和正时动作电位、突触传递、荷尔蒙分泌以及肌肉收缩。许多药物通过离子通道的调节而发挥它们的特定效果。实例是：抗癫痫化合物，类似苯妥英和拉莫三嗪，其堵塞脑中的依赖电压的Na⁺通道；抗高血压药物，类似尼非地平和地尔硫卓，其堵塞平滑肌细胞中的依赖电压的Ca²⁺通道；以及胰岛素释放模拟器，类似格列本脲和甲苯磺丁脲，其堵塞胰腺中的ATP调节的K⁺通道。除了化学引起的离子通道活性调节之外，膜片钳技术还使得科学家能够利用依赖电压的通道进行操纵。这些技术包括调节膜片移液管中的电极的极性，以及改变盐成分，以缓和容器溶液中的自由离子水平。

膜片钳技术代表了生物学和医学的主流发展，原因是该技术允许测量通过单个离子通道蛋白质的离子流，并且还能够响应于药物而研究单个离子通道。简而言之，在标准膜片钳技术中，使用薄的（直径为大约0.5-2μ）玻璃移液管。这种膜片移液管的末端被压靠到细胞膜的表面。移液管末端紧密地密封到细胞，并且隔绝微小膜片中的几个离子通道蛋白质。这些通道的活性可以单独地测量（单通道记录），或者膜片可以破裂，以允许整个细胞膜的通道活性的测量（全细胞构型）。可以通过在移液管中施加负压而使膜破裂，来获得用于执行全细胞测量的进入细胞内部的高电导系数。

在单通道记录和全细胞记录期间，各个通道亚型的活性的特征可在于在整个膜上施加“电压钳”。在电压钳技术中，以恒定的膜电位记录膜电流。或者为了更加精确，放大器确切地供应将膜电位保持为通过实验确定的水平所必要的电流。从而，由离子通道打开和关闭所导致的电流不能对膜进行再充电。

确定膜片钳技术的通过量的主要限制在于细胞和移液管的定位和夹持、流体系统的特性，这将导致细胞和膜片的化合物溶解。在常规的膜片钳安装中，细胞被放置在实验腔室中，其可能用生理盐溶液连续地灌注。在这些腔室中建立细胞-移液管连接是耗时且麻烦的。通过改变与少数进给瓶连接的阀的入口来应用化合物。所需的溶液体积和待测试的化合物的量较高（即数百毫升）。