[发明专利]使用具有高通量和低体积要求的界面室系统的快速灌注系统和膜片钳技术

说明书

技术领域

本发明涉及对于生物膜及其整合膜蛋白研究，开展快速灌注以及以“盲法膜片”方式获得膜片钳记录的系统。更具体地讲，本发明涉及具有高通量和低体积要求的膜片钳灌注系统，其用于电生理药物处理和应用装置以筛选化学品例如药物。本发明还提供一种高通量筛选的装置以及使用该装置的方法。

发明背景

通过因载体蛋白和离子通道作用引起的细胞膜电位的变化来控制许多细胞过程。载体蛋白结合特定的溶质，并通过构象变化将它们进行跨生物细胞膜脂双层的转移，该构象变化即顺序地将溶质结合位点暴露于膜的一侧和另一侧。一些载体蛋白仅“沿下坡”，即沿其浓度和/或电化学梯度方向来运输单一溶质。其它载体蛋白可作为泵起作用，以逆着其浓度和/或电化学梯度方向“上坡”运输溶质，其使用ATP水解或另一溶质(例如钠)的“下坡”流所提供的能量来驱动所必需的系列构象变化(在B.Alberts等人，1994，Molecular Biology of the Cell，第3版，Garland Publishing，Inc.，NewYork，N.Y.进行了综述)。几种载体蛋白例如ABC转运蛋白超家族在临床上是特别重要的。已知这些蛋白质是造成囊性纤维变性、以及癌细胞和引起疟疾的寄生物中的药物抗性的原因。

与载体蛋白不同，离子通道蛋白是在生物膜中形成孔隙的跨膜蛋白质，其允许离子和其它分子从一侧通过到另一侧。离子通道有多种类型。例如，“渗漏通道”在所有生理膜状态下是开放的。“电压门控通道”响应跨膜的电位而开启。“配体门控通道”响应特定分子例如细胞外介质(例如神经递质)或细胞内介质(例如离子或核苷酸)的结合而开启。还有其它离子通道通过与蛋白质例如G蛋白的相互作用而受到调节。

离子通道蛋白主要介导特定离子的透过性。例如，已鉴定出钠(Na⁺)、钾(K⁺)、氯(Cl^-)和钙(Ca²⁺)通道。离子通道主要负责产生细胞膜电位，该细胞膜电位为细胞膜相对侧的电荷差(B.Alberts等人，同上)。在动物细胞中，Na⁺和K⁺ATP酶保持细胞内低Na⁺浓度和细胞内高K⁺浓度。与这些ATP酶相反，K⁺渗漏通道允许K⁺离子顺K⁺浓度梯度移动而出细胞。以这种方式，几种离子通道共同促成细胞膜电位的形成。

电压门控离子通道和配体门控离子通道负责在包括大多数肌肉和神经细胞在内的电兴奋细胞中产生细胞膜动作电位(B.Albert，同上)。例如，通过由Na⁺经电压门控Na⁺通道内流而引起的细胞膜去极化触发动作电位。动作电位触发分泌细胞和神经元中激素和神经递质的释放；它们触发肌肉细胞的收缩并影响生物化学事件和基因表达水平。然而，应该注意，离子通道并不局限于可兴奋细胞。事实上，在多种不可兴奋细胞类型中存在电压门控Na⁺、K⁺或Ca²⁺通道(B.Alberts，同上)。

广泛多种载体蛋白和离子通道代表着丰富的药物试剂新靶点。已知许多化学品、化合物和配体影响载体蛋白和/或离子通道活性。而且调节载体蛋白和离子通道的试剂可制成用于治疗多种疾病、损伤或状况的药物组合物(S.A.N.Goldstein等人，1996，Neuron 16：913-919)。例如，调节ABC转运蛋白活性的试剂可用于治疗囊性纤维变性和/或癌症。调节Ca²⁺通道活性的试剂可用于治疗癫痫、焦虑和阿尔茨海默病。另外，调节Na⁺通道活性的试剂可用于治疗肌肉痉挛、斜颈、颤动、学习障碍、脑癌、疼痛和阿尔茨海默病。阻断Na⁺通道的试剂可用作局部麻醉剂。调节上皮Na⁺通道的试剂可用于治疗囊性纤维变性、哮喘和高血压。此外，调节K⁺通道活性的试剂可用于抵制缺氧和缺血性疾病以及高血压的损害效应，以及保护红细胞免受疟疾和镰状细胞病的损害(J.R.Enfeild等人，1995年，Pharmaceutical News 2：23-27)。