非損傷微測技術(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。膜片鉗技術(shù)對離子通道開閉情況的研究，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)在問題也逐步暴露出來。首先，膜片鉗技術(shù)測量需要通過微電極吸附細(xì)胞膜這一過程來實現(xiàn)，操作難度極大，需要實驗人員經(jīng)過長時間訓(xùn)練，而且也嚴(yán)重限制了膜片鉗技術(shù)檢測樣品的范圍，基本只能用于對生物細(xì)胞進(jìn)行測量。

 

    膜片鉗對離子通道的研究具有其他技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢，但膜片鉗技術(shù)記錄的是電流，對于研究離子跨膜轉(zhuǎn)運，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)運的全部信息。一方面，離子通過載體實現(xiàn)的轉(zhuǎn)運過程往往比較緩慢，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”進(jìn)行轉(zhuǎn)運，會造成總體電中性，不產(chǎn)生電流，也就無法被膜片鉗技術(shù)所記錄。同時，對于中性分子的轉(zhuǎn)運過程，膜片鉗技術(shù)也無能為力。

 

    除此之外，通過膜片鉗技術(shù)對離子通道開閉的研究來表征生物功能過程對于許多領(lǐng)域而言太過間接、膜片鉗實驗的吸膜過程對細(xì)胞的嚴(yán)重?fù)p傷可能嚴(yán)重影響被測數(shù)據(jù)的真實性等問題都成為詬病膜片鉗技術(shù)的焦點。

隨著生命科學(xué)的發(fā)展特別是對生物功能與生理機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，在美國著名的海洋生物學(xué)實驗室（Marine Biological Laboratory，MBL），非損傷微測技術(shù)應(yīng)運而生。非損傷微測技術(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)行測量，獲得進(jìn)出樣品表面的離子分子濃度、流動速率和流動方向的數(shù)值。由于其特有的非損傷性測量方式，非損傷微測技術(shù)被測樣品范圍非常廣泛，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)行測量。

 

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

 

    非損傷微測技術(shù)的實驗操作主要是顯微操作，不涉及吸附細(xì)胞膜等復(fù)雜操作過程，非常方便快捷，實驗人員經(jīng)簡單培訓(xùn)后即可上手。此外非損傷微測技術(shù)還具有長時間、多電極、任意路徑測量等其他技術(shù)難以比擬的優(yōu)勢。

 

    非損傷微測技術(shù)的諸多優(yōu)勢和廣泛的適用性，使其自誕生以來便獲得越來越廣泛的應(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)用非損傷微測技術(shù)開展研究工作，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NaCl誘導(dǎo)的K⁺流失的影響。作者用非損傷微測技術(shù)測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；對擬南芥根部原生質(zhì)體進(jìn)行膜片鉗測量，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)生理機制。

 

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