不像鉗子的“鉗子”

在日常生活中，鉗子是個經常用到的工具，可是你知道什么是世界上最精細的鉗子嗎？那就是“膜片鉗”。其實，“膜片鉗”并不是我們所常見的那種鉗子，而是一套生物學的科研儀器。它和我們普通的鉗子在外表上就差遠了，完全沒有普通鉗子的手柄和夾頭，所以它無法用來“夾”任何日常物品。實際上，它是用來測電流的。

要說明白這把特別的“鉗子”，我們還得從細胞說起。大家都知道，細胞是構成生物體的基本單位。細胞外面有細胞膜，細胞里面有細胞質和細胞核。而細胞內和細胞之間的信號傳導的重要途徑是通過鑲嵌在細胞膜上的離子通道蛋白進行的。離子通道是細胞膜上的一類特殊親水性蛋白質微孔道，是神經、肌肉細胞電活動的物質基礎。可以說，細胞離子通道的結構和功能正常是維持生命活動的基礎。

科學家們發現，離子通道的主要功能有：提高細胞內鈣濃度，觸發生理效應；決定細胞的興奮性、不應性和傳導性；調節血管平滑肌的舒縮活動；參與突觸傳遞等等。離子通道的功能發生異常時，會導致機體整體生理功能紊亂，形成某些先天性或后天獲得性疾病，會累及神經、肌肉、心臟、腎臟等系統和器官。許多疾病的發生和發展與離子通道的功能、結構異常有關。如人體細胞中的鉀離子通道如果出了問題，可能會引起陣發性舞蹈手足徐動癥。那么，科學家們怎么研究這些離子通道呢？這就要用到膜片鉗技術。

膜片鉗是從英文“Patch Clamp”翻譯而來。這項技術是由兩位德國細胞生物學家埃爾溫·內爾和貝爾特·薩克曼所發明。在1976年，他們為了研究細胞膜上單一或多數離子通道的分子活動，發明了這種記錄通過離子通道的離子電流的技術。這一技術大大提高了細胞電活動的研究精度，是生物學研究領域的一次革命性突破。正因為如此，他們兩人獲得了1991年的諾貝爾醫學與生理學獎。這一技術雖然問世只有十幾年，但已在相關領域顯示出了非常重要的意義和廣闊的前景。

膜片鉗技術是生物學和物理學相結合的成果。為了揭示細胞的生理過程，科研人員經常需要測量生物電信號，所以這就要用到物理學中的相關知識方法，從而形成了一門細胞電生理學。膜片鉗技術是一門研究離子通道分子活動的技術，它要記錄的是通過離子通道的離子電流。具體操作過程是這樣的，運用微玻管電極（膜片電極或膜片吸管）接觸細胞膜，以千兆歐姆以上的阻抗使之對接，使與電極尖開口處相接的細胞膜小片區域（膜片）與其周圍在電學上分隔，在此基礎上固定電位，對此膜片上的離子通道的離子電流進行檢測記錄。這種離子電流是非常非常微小的，所以要用電子學中的放大器來處理，并且最關鍵的，要把那些“雜質信號”（噪音信號）排除掉，所以，這是一項非常精細的技術。為了記錄試驗結果，整個系統里面計算機是少不了的。

如今，膜片鉗已經是世界重要的生物學實驗室里必不可少的儀器。科學家們用它發現了很多離子通道的秘密。借助這一技術，我國上海生命科學研究院的袁小兵和王以政研究員領銜的研究組，在國際上首次發現了引導神經生長方向的新機制。他們發現，神經纖維最前端生長錐的細胞膜上有一類稱為“瞬間受體電位通道”（TRPC）的陽離子通道，正是這一離子通道起著傳遞神經纖維生長“方向指令”的關鍵作用。

我們已經知道，神經纖維的生長主要是尖端生長，生長中的神經纖維最前端是一個被稱為生長錐的結構。它能夠活躍地探索細胞外的環境、感受外界的導向因子，引導神經纖維朝特定的方向生長，逐步形成神經網絡。但是，在這個神秘的過程中，神經纖維生長方向的調控機制一直是一個謎。我國科學家首次觀察到神經細胞外的導向因子，這是一種稱為BDNF的蛋白質，在把信號傳遞到細胞膜內過程中，能打開一種稱為TRPC的細胞膜陽離子通道，促使神經纖維最前段生長錐內的鈣離子濃度增加，哪一側細胞中鈣離子濃度較高，神經就往哪里長。這一結果有助于揭示神經發育的奧秘，對神經損傷再生的研究提供理論借鑒，為開發和設計有利于神經再生藥物提供新思路。

21世紀被稱為生命科學和生物技術的時代，在醫療、衛生、工業、農業等領域，生物技術對改善人類健康狀況及生存環境都在發揮著越來越重要的作用。我們相信，膜片鉗技術還會幫助生物學家們發現更多的科學之謎。

【責任編輯】李金