從PC膜片鉗到NMT非損傷微測技術(shù) | (3)現(xiàn)狀與未來

活體研究智能傳感技術(shù)的演進(jìn)（3）現(xiàn)狀與未來

作者：許越   “點(diǎn)擊查看作者自傳”

PC膜片鉗與NMT非損傷微測技術(shù)雖然幾乎誕生在同一歷史時(shí)期，但是它們的發(fā)展和普及過程卻大相徑庭。

1）  NMT的中國特色

大家知道，各個(gè)國家對動(dòng)物醫(yī)學(xué)研究的投入通常要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對其它研究領(lǐng)域的投入。下圖是美國在醫(yī)療健康上面的投入是其它領(lǐng)域的5-10倍，在中國動(dòng)物醫(yī)學(xué)方面的投入大概是植物學(xué)研究的6倍左右（來自于個(gè)人通訊）。

因此，在絕大多數(shù)情況下，很多生命科學(xué)的新技術(shù)，新思路，新突破，都是來自于動(dòng)物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，然后傳導(dǎo)到其它科研領(lǐng)域，正如在本文的第一部分（1）愿望與挑戰(zhàn)中所敘述的那樣，膜片鉗技術(shù)誕生于動(dòng)物神經(jīng)細(xì)胞單通道離子電流（煙堿乙酰膽堿受體）的研究，90年代進(jìn)入中國后，也被首先應(yīng)用于動(dòng)物醫(yī)學(xué)研究。

然而，非損傷微測技術(shù)在生命研究領(lǐng)域的發(fā)展，卻劃出了一個(gè)自己較為獨(dú)特的發(fā)展軌跡。

首先，大家去問問用膜片鉗搞植物研究的科研人員，他們有多么羨慕用膜片鉗進(jìn)行動(dòng)物醫(yī)學(xué)研究的同行們，因?yàn)橹参镉屑?xì)胞壁，研究植物的人必須要先用各種消化酶去除細(xì)胞壁后，才可以形成膜片鉗技術(shù)必須的玻璃電極與細(xì)胞膜之間的高阻封接。

那么，大家可以想象，不用去除細(xì)胞壁就可以研究植物與外界環(huán)境的離子/分子交換信息，這對于搞植物研究的人該有多么大的吸引力呀！姑且不說，細(xì)胞壁作為植物細(xì)胞完整結(jié)構(gòu)的一部分，在功能上更是不可或缺的重要環(huán)節(jié)，將其人為去除后，其結(jié)果的理論價(jià)值必然大打折扣外，單就技術(shù)上給植物學(xué)家們帶來的簡單、便捷和快速，就讓大家興奮不已。

因此，在國際上自從NMT誕生之日起，植物研究學(xué)者們對它的追求從來沒有遜色于動(dòng)物醫(yī)學(xué)研究的同行們。而中國自身為農(nóng)業(yè)國，在植物領(lǐng)域的研究底子好，投入又大�？赡芤布又裨鹿緞�(chuàng)始人自身的植物研究出身的背景，使得非損傷微測技術(shù)在中國的發(fā)展一路走來，在植物領(lǐng)域的發(fā)展要遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于在動(dòng)物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，數(shù)據(jù)顯示，在中國科學(xué)家至今發(fā)表的200多篇NMT應(yīng)用已發(fā)表文獻(xiàn)里，80%以上是來自植物領(lǐng)域的研究（數(shù)據(jù)來自“中關(guān)村NMT產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”http：//nmtia.org）。

2）  科研應(yīng)用現(xiàn)狀

膜片鉗技術(shù)在這二十幾年的發(fā)展使其已經(jīng)深深地融入了全世界生命科研活動(dòng)的各個(gè)方面。在中國也不例外，這些年我國科研人員利用該技術(shù)取得了豐碩的科研成果，尤其是植物研究領(lǐng)域，以武維華、種康、劉春明等為代表的科研人員利用膜片鉗技術(shù)在植物生理生化方面取得了系列世界級的成果。

我國的動(dòng)物醫(yī)學(xué)研究方面，以周專、徐濤、王世強(qiáng)、王立偉、陳麗新、祁金順等科學(xué)家為代表在諸多領(lǐng)域也已處于世界科技前沿。

但就我個(gè)人在國外多年的所見所聞來看，我國在動(dòng)物醫(yī)學(xué)方面沒有比現(xiàn)在發(fā)展的更快更好一些的一個(gè)重要原因是中國這方面的人才流失比較嚴(yán)重。我在哈佛、耶魯?shù)却髮W(xué)見到很多國內(nèi)培養(yǎng)的膜片鉗高手。即：國內(nèi)培養(yǎng)出來后，在就要出成果的時(shí)候，卻來到國外為國外的課題所用了。想必周專老師他們對這點(diǎn)肯定有更深更多的感受吧。

非損傷微測技術(shù)在中國的普及應(yīng)用，相比膜片鉗技術(shù)有兩個(gè)先天不足。一是進(jìn)入中國要晚近10年的時(shí)間；二是沒有膜片鉗那樣一開始便伴隨著諾貝爾獎(jiǎng)的耀眼光環(huán)。

但是，非損傷微測技術(shù)也有其自身的優(yōu)勢，其一是進(jìn)入中國適逢國家對基礎(chǔ)科研的投入要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于90年代膜片鉗進(jìn)入時(shí)期；二是有匡廷云、楊福愉、林克椿、葉鑫生、高榮孚、尹偉倫、趙微平、邱澤生等老一輩科學(xué)家的鼎力支持。

所以，盡管非損傷微測技術(shù)進(jìn)入中國時(shí)間不長，但是發(fā)展十分迅速，不但以印麗萍、陳少良、沈應(yīng)柏、許衛(wèi)峰、羅志斌等中青年科學(xué)家，利用非損傷微測技術(shù)快速將自身科研提升至世界水平，剛才所列的武維華、王立偉等國內(nèi)膜片鉗技術(shù)專家也已利用NMT，并結(jié)合膜片鉗技術(shù)做出了世界一流的科研成果。

3）  技術(shù)現(xiàn)狀

全自動(dòng)膜片鉗雖然已于近年面市，但是傳統(tǒng)的膜片鉗技術(shù)仍然在生理、相關(guān)基因功能驗(yàn)證等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的作用。而全自動(dòng)膜片鉗雖然提高了數(shù)據(jù)的單位產(chǎn)出量，但似乎更多地被應(yīng)用于藥物研發(fā)、藥效評價(jià)等應(yīng)用領(lǐng)域，其對科研基礎(chǔ)理論的貢獻(xiàn)和潛力還有待于觀察。

智能自動(dòng)化的NMT傳感器制備裝置，已經(jīng)于2016年在中國市場有售，標(biāo)志著非損傷微測技術(shù)開啟了追趕膜片鉗自動(dòng)化的步伐。

盡管數(shù)據(jù)的單位時(shí)間產(chǎn)出量，即：高通量并不是非損傷微測技術(shù)的優(yōu)勢，但是，鑒于該技術(shù)的長處之一就在于它的實(shí)時(shí)測量，即在正常生理時(shí)間尺度內(nèi)，揭示生物的活體生理功能。

相反，將非損傷微測技術(shù)與膜片鉗技術(shù)相比，比較容易一葉障目的誤區(qū)就是把非損傷微測技術(shù)的應(yīng)用限制在了只是生物膜的層面。其所謂‘成也蕭何，敗也蕭何！’，膜片鉗的高阻封接成就了它的單通道測量，但同時(shí)也制約了它的測量材料的靈活性。而反觀非損傷微測技術(shù)，因?yàn)椴唤佑|被測材料，所以在材料的選擇上就有了極大的自由度。

特別是近年的科學(xué)發(fā)現(xiàn)表明，如我在

里所述，人類的各種疾病的答案，不在基因?qū)用妫ò雮€(gè)多世紀(jì)尋找癌癥基因努力的失敗就是例證），甚至不在細(xì)胞層面，這就給組織層面的研究打開了廣闊的新天地。當(dāng)我們環(huán)顧實(shí)驗(yàn)室四周，能夠幫助我們研究活體組織的技術(shù)鳳毛麟角，而像非損傷微測技術(shù)這樣完全近乎無損的技術(shù)更是難覓。

加之進(jìn)一步的研究表明，比如癌癥的發(fā)生發(fā)展是和其組織微環(huán)境的改變密切相關(guān)，那么，還有什么技術(shù)比非損傷微測技術(shù)，這一能夠在活體狀況下檢測微環(huán)境中各種離子分子活性的技術(shù)更合適的呢！

山西醫(yī)科大學(xué)的祁金順教授，利用非損傷微測技術(shù)建立起的腦切片組織生理檢測試驗(yàn)體系，就是這方面的一個(gè)很好的例證（具體描述請瀏覽： http://e.vhall.com/133934064或http://xbi.org/index.php?option=com_content&view=article&id=516&Itemid=907&lang=cn）。

4）  未來趨勢

每個(gè)技術(shù)都有它自己的特色，很難完全取代對方。因此，利用各自優(yōu)勢，膜片鉗與非損傷微測技術(shù)配合使用將是一個(gè)趨勢。這里已經(jīng)有一些嘗試，大家可以參考一下相關(guān)文獻(xiàn)（http://xbi.org）。

下面我就幾個(gè)非損傷微測技術(shù)可以彌補(bǔ)膜片鉗技術(shù)局限的地方跟大家分享一下，以便大家更好地結(jié)合兩者使用。

（a）‘零’電流問題

如上圖所示，當(dāng)有等電荷的兩種離子進(jìn)出同一片細(xì)胞膜的時(shí)候，膜片鉗技術(shù)將檢測不到電流。而此刻科研人員可以利用非損傷微測技術(shù)的多傳感器同時(shí)測量優(yōu)勢進(jìn)行研究。

（b）其它離子運(yùn)輸載體和方式的研究

我們知道除了離子通道，生物細(xì)胞還有其它多種離子轉(zhuǎn)運(yùn)方式，它們與離子通道一起，共同擔(dān)負(fù)著維持細(xì)胞和乃至整個(gè)生物體活性的各種生理功能。正如在（2）時(shí)間與空間中所說，將PC與NMT這兩個(gè)跨越不同時(shí)間和空間的技術(shù)相結(jié)合使用，對于我們更加全面的了解生物現(xiàn)象的本質(zhì)，有著不可替代的作用。

（c）分子轉(zhuǎn)運(yùn)的研究

毫無疑問，NMT非損傷微測技術(shù)在O2，H2O2，葡萄糖，乙酰膽堿等與生命活動(dòng)密切相關(guān)的小分子，大分子跨膜運(yùn)輸方面，將極大補(bǔ)充PC技術(shù)在這方面的不足。

（d）物理機(jī)械損傷

盡管‘高阻封接’成就了PC的單通道測量，但是其巨大的機(jī)械損傷，被證明不但是的確存在的，而且的確會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。那么，有另外一個(gè)相對獨(dú)立的技術(shù)對PC進(jìn)行驗(yàn)證，對科學(xué)研究的準(zhǔn)確性無疑是個(gè)巨大利好。

廣州暨南大學(xué)的王立偉，陳麗新教授，利用NMT與PC結(jié)合，發(fā)現(xiàn)并推翻了PC過去錯(cuò)誤的結(jié)論的故事很好地詮釋了這一點(diǎn)。（具體描述請瀏覽：http://e.vhall.com/133934064

或  http://xbi.org/index.php?option=com_content&view=article&id=516&Itemid=907&lang=cn）

 

5）結(jié)束語

在一次社會(huì)名流的聚會(huì)上，當(dāng)有人用略帶輕蔑的口吻對發(fā)現(xiàn)美洲新大陸的哥倫布說到：“你發(fā)現(xiàn)美洲沒有什么了不起的，只不過是你的運(yùn)氣比別人好些罷了！”。哥倫布沒有馬上說什么，而是讓人拿來一個(gè)雞蛋向在場的所有人發(fā)出挑戰(zhàn)，看誰能夠把這個(gè)雞蛋立在桌子上。讀者們中很多人知道這個(gè)故事的結(jié)局，就是在這些人費(fèi)了九牛二虎之力失敗之后，哥倫布將雞蛋的一端擊碎后立在了桌子上。

Neher和Sakmann發(fā)明膜片鉗“不過”是在前人電生理的基礎(chǔ)上，略微地在玻璃電極與細(xì)胞膜接觸時(shí)施加了一點(diǎn)點(diǎn)負(fù)壓形成‘高阻封接’而已。同樣NMT非損傷微測技術(shù)的誕生，Jaffe和Newman他們“也無非” 就是讓離子/分子傳感器動(dòng)了起來，進(jìn)行‘兩點(diǎn)測量’而已！

但就是這一看似細(xì)微的‘高阻封接’，這一看似平常的‘兩點(diǎn)測量’，讓科學(xué)家能夠檢測到pA（10^-12）級的微弱單離子通道電流，讓科學(xué)家能夠檢測到單個(gè)細(xì)胞離子（比如Ca²⁺）分子（比如O₂）的10^-15級進(jìn)出流速。

他們就是科學(xué)界的哥倫布，幫助科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了科學(xué)世界的新大陸！

同學(xué)們，老師們，朋友們，現(xiàn)在非損傷微測技術(shù)已經(jīng)來到了你的身邊，中國人在一些領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了彎道超車，能否先于他人把這個(gè)‘蛋’矗立在你們各自的研究領(lǐng)域，即是擺在你們面前的挑戰(zhàn)，大家準(zhǔn)備好了嗎？！

參考文獻(xiàn)

• 美國對不同研究領(lǐng)域的投入http://www.bu.edu/research/articles/funding-for-scientific-research/

• Verkhratsky, Alexei & Parpura, Vladimir. (2014). History of Electrophysiology and the Patch Clamp. Methods in molecular biology (Clifton, N.J.). 1183. 1-19. 10.1007/978-1-4939-1096-0_1.

• Uncoupling of K+ and Cl− transport across the cell membrane in the process of regulatory volume decrease.  Linjie Yang, Linyan Zhu, Yue Xu, Haifeng Zhang, Wencai Ye, Jianwen Mao, Lixin Chen, Liwei Wang.  Biochemical pharmacology 84 (3), 292-302

• 非損傷微測技術(shù)實(shí)時(shí)檢測海馬腦片跨膜鈣離子流。《生理學(xué)報(bào)》2017年 第4期 | 李甜 原麗 張軍 焦娟娟 祁金順

•  文中相關(guān)文獻(xiàn)可以到旭月研究院網(wǎng)站下載：http://xbi.org/index.php?option=com_rsfiles&view=rsfiles&Itemid=304&lang=cn