非損傷微測(cè)技術(shù)與膜片鉗技術(shù)的主要區(qū)別

    1976年膜片鉗技術(shù)的誕生是現(xiàn)代生命科學(xué)研究史上的重要事件，兩位德國(guó)科學(xué)家因應(yīng)用膜片鉗技術(shù)進(jìn)行離子通道研究所取得的成就而榮獲1991年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。膜片鉗技術(shù)對(duì)離子通道開(kāi)閉情況的研究，成為連接生物分子和生物功能研究的重要橋梁，催生了大量高水平研究成果。

 

    但隨著膜片鉗技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其許多內(nèi)在問(wèn)題也逐步暴露出來(lái)。首先，膜片鉗技術(shù)測(cè)量需要通過(guò)微電極吸附細(xì)胞膜這一過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，操作難度極大，需要實(shí)驗(yàn)人員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間訓(xùn)練，而且也嚴(yán)重限制了膜片鉗技術(shù)檢測(cè)樣品的范圍，基本只能用于對(duì)生物細(xì)胞進(jìn)行測(cè)量。

 

    膜片鉗對(duì)離子通道的研究具有其他技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但膜片鉗技術(shù)記錄的是電流，對(duì)于研究離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，僅僅記錄電流有可能造成信息的缺失。研究發(fā)現(xiàn)，離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)除離子通道（Ion Channel）外，還有離子載體（Transporter）這一模式，單純研究離子通道并不能反映離子轉(zhuǎn)運(yùn)的全部信息。一方面，離子通過(guò)載體實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程往往比較緩慢，產(chǎn)生的電流非常微弱，膜片鉗技術(shù)記錄很困難；更重要的，如果離子“一進(jìn)一出”或“一陰一陽(yáng)”進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，會(huì)造成總體電中性，不產(chǎn)生電流，也就無(wú)法被膜片鉗技術(shù)所記錄。同時(shí)，對(duì)于中性分子的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，膜片鉗技術(shù)也無(wú)能為力。

 

    除此之外，通過(guò)膜片鉗技術(shù)對(duì)離子通道開(kāi)閉的研究來(lái)表征生物功能過(guò)程對(duì)于許多領(lǐng)域而言太過(guò)間接、膜片鉗實(shí)驗(yàn)的吸膜過(guò)程對(duì)細(xì)胞的嚴(yán)重?fù)p傷可能嚴(yán)重影響被測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性等問(wèn)題都成為詬病膜片鉗技術(shù)的焦點(diǎn)。

隨著生命科學(xué)的發(fā)展特別是對(duì)生物功能與生理機(jī)制的研究逐步成為生命科學(xué)研究的主流，廣大科技工作者迫切需要一種更加全面、直接和方便的離子分子信息表征技術(shù)。

 

    1990年，在美國(guó)著名的海洋生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Marine Biological Laboratory，MBL），非損傷微測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。非損傷微測(cè)技術(shù)采用離子/分子選擇性微電極（此微電極為非損傷微測(cè)技術(shù)專用，不同于膜片鉗或其他技術(shù)使用的微電極）接近樣品而非接觸或非侵入的方式進(jìn)行測(cè)量，獲得進(jìn)出樣品表面的離子分子濃度、流動(dòng)速率和流動(dòng)方向的數(shù)值。由于其特有的非損傷性測(cè)量方式，非損傷微測(cè)技術(shù)被測(cè)樣品范圍非常廣泛，從生物整體、器官、組織、細(xì)胞層、單細(xì)胞直到細(xì)胞器都可以進(jìn)行測(cè)量。

 

    非損傷微測(cè)技術(shù)所獲得的離子分子流動(dòng)速率和流動(dòng)方向信息，不僅反映了生物生理活動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，同時(shí)也是相對(duì)總體的信息，如細(xì)胞離子分子流動(dòng)速率信息反映的是細(xì)胞膜上若干個(gè)離子通道和離子載體或若干個(gè)分子轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程共同作用的結(jié)果，組織離子分子流動(dòng)速率信息反映的是組織上若干個(gè)細(xì)胞共同作用的結(jié)果，不受離子分子轉(zhuǎn)運(yùn)方式、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程是否電中性因素的影響。這使得非損傷微測(cè)技術(shù)所獲得的離子分子流動(dòng)信息成為表征生物功能與生理機(jī)制非常全面與直接的手段。

 

    非損傷微測(cè)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)操作主要是顯微操作，不涉及吸附細(xì)胞膜等復(fù)雜操作過(guò)程，非常方便快捷，實(shí)驗(yàn)人員經(jīng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)后即可上手。此外非損傷微測(cè)技術(shù)還具有長(zhǎng)時(shí)間、多電極、任意路徑測(cè)量等其他技術(shù)難以比擬的優(yōu)勢(shì)。

 

    非損傷微測(cè)技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)和廣泛的適用性，使其自誕生以來(lái)便獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，為生命科學(xué)研究提供全新視角和思路。諸多不同領(lǐng)域的學(xué)者應(yīng)用非損傷微測(cè)技術(shù)開(kāi)展研究工作，在《Nature》、《Nature Protocols》、《PNAS》、《Plant Cell》等著名雜志已發(fā)表高水平研究論文百余篇。除生命科學(xué)領(lǐng)域外，非損傷微測(cè)技術(shù)也引起材料科學(xué)等其他學(xué)科科技工作者的興趣，在這些學(xué)科的研究中也取得豐碩成果。

 

    對(duì)研究興趣集中于離子通道的傳統(tǒng)生理學(xué)家，盡管膜片鉗技術(shù)是其主要研究工具，非損傷微測(cè)技術(shù)同樣可以使其研究更加深入和豐滿。如澳大利亞學(xué)者Shabala等2006年發(fā)表于《Plant Physiology》的研究論文，以擬南芥為材料，研究胞外Ca²⁺對(duì)NaCl誘導(dǎo)的K⁺流失的影響。作者用非損傷微測(cè)技術(shù)測(cè)量擬南芥根部和葉片的K⁺流，發(fā)現(xiàn)胞外Ca²⁺濃度的增加可以有效抑制NaCl誘導(dǎo)的K⁺流失；對(duì)擬南芥根部原生質(zhì)體進(jìn)行膜片鉗測(cè)量，發(fā)現(xiàn)胞外Ca²⁺可以影響細(xì)胞膜上的K⁺通道的通透性。這些工作使本文的研究結(jié)果非常豐滿，從細(xì)胞到器官不同層次清晰闡述了植物相關(guān)生理機(jī)制。

 

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