活體研究智能傳感技術的演進（3）現狀與未來

作者：許越   “點擊查看作者自傳”

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

1）  NMT的中國特色

大家知道，各個國家對動物醫學研究的投入通常要遠遠高于對其它研究領域的投入。下圖是美國在醫療健康上面的投入是其它領域的5-10倍，在中國動物醫學方面的投入大概是植物學研究的6倍左右（來自于個人通訊）。

因此，在絕大多數情況下，很多生命科學的新技術，新思路，新突破，都是來自于動物醫學領域，然后傳導到其它科研領域，正如在本文的第一部分（1）愿望與挑戰中所敘述的那樣，膜片鉗技術誕生于動物神經細胞單通道離子電流（煙堿乙酰膽堿受體）的研究，90年代進入中國后，也被首先應用于動物醫學研究。

然而，非損傷微測技術在生命研究領域的發展，卻劃出了一個自己較為獨特的發展軌跡。

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行動物醫學研究的同行們，因為植物有細胞壁，研究植物的人必須要先用各種消化酶去除細胞壁后，才可以形成膜片鉗技術必須的玻璃電極與細胞膜之間的高阻封接。

那么，大家可以想象，不用去除細胞壁就可以研究植物與外界環境的離子/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，細胞壁作為植物細胞完整結構的一部分，在功能上更是不可或缺的重要環節，將其人為去除后，其結果的理論價值必然大打折扣外，單就技術上給植物學家們帶來的簡單、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，植物研究學者們對它的追求從來沒有遜色于動物醫學研究的同行們。而中國自身為農業國，在植物領域的研究底子好，投入又大�？赡芤布又�旭月公司創始人自身的植物研究出身的背景，使得非損傷微測技術在中國的發展一路走來，在植物領域的發展要遠遠勝于在動物醫學的發展，數據顯示，在中國科學家至今發表的200多篇NMT應用已發表文獻里，80%以上是來自植物領域的研究（數據來自“中關村NMT產業聯盟”http：//nmtia.org）。

2）  科研應用現狀

膜片鉗技術在這二十幾年的發展使其已經深深地融入了全世界生命科研活動的各個方面。在中國也不例外，這些年我國科研人員利用該技術取得了豐碩的科研成果，尤其是植物研究領域，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在植物生理生化方面取得了系列世界級的成果。

我國的動物醫學研究方面，以周專、徐濤、王世強、王立偉、陳麗新、祁金順等科學家為代表在諸多領域也已處于世界科技前沿。

但就我個人在國外多年的所見所聞來看，我國在動物醫學方面沒有比現在發展的更快更好一些的一個重要原因是中國這方面的人才流失比較嚴重。我在哈佛、耶魯等大學見到很多國內培養的膜片鉗高手。即：國內培養出來后，在就要出成果的時候，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肯定有更深更多的感受吧。

非損傷微測技術在中國的普及應用，相比膜片鉗技術有兩個先天不足。一是進入中國要晚近10年的時間；二是沒有膜片鉗那樣一開始便伴隨著諾貝爾獎的耀眼光環。

但是，非損傷微測技術也有其自身的優勢，其一是進入中國適逢國家對基礎科研的投入要遠遠大于90年代膜片鉗進入時期；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家的鼎力支持。

所以，盡管非損傷微測技術進入中國時間不長，但是發展十分迅速，不但以印麗萍、陳少良、沈應柏、許衛峰、羅志斌等中青年科學家，利用非損傷微測技術快速將自身科研提升至世界水平，剛才所列的武維華、王立偉等國內膜片鉗技術專家也已利用NMT，并結合膜片鉗技術做出了世界一流的科研成果。

3）  技術現狀

全自動膜片鉗雖然已于近年面市，但是傳統的膜片鉗技術仍然在生理、相關基因功能驗證等基礎研究領域，發揮著不可替代的作用。而全自動膜片鉗雖然提高了數據的單位產出量，但似乎更多地被應用于藥物研發、藥效評價等應用領域，其對科研基礎理論的貢獻和潛力還有待于觀察。

智能自動化的NMT傳感器制備裝置，已經于2016年在中國市場有售，標志著非損傷微測技術開啟了追趕膜片鉗自動化的步伐。

盡管數據的單位時間產出量，即：高通量并不是非損傷微測技術的優勢，但是，鑒于該技術的長處之一就在于它的實時測量，即在正常生理時間尺度內，揭示生物的活體生理功能。

相反，將非損傷微測技術與膜片鉗技術相比，比較容易一葉障目的誤區就是把非損傷微測技術的應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，但同時也制約了它的測量材料的靈活性。而反觀非損傷微測技術，因為不接觸被測材料，所以在材料的選擇上就有了極大的自由度。

特別是近年的科學發現表明，如我在

里所述，人類的各種疾病的答案，不在基因層面（半個多世紀尋找癌癥基因努力的失敗就是例證），甚至不在細胞層面，這就給組織層面的研究打開了廣闊的新天地。當我們環顧實驗室四周，能夠幫助我們研究活體組織的技術鳳毛麟角，而像非損傷微測技術這樣完全近乎無損的技術更是難覓。

加之進一步的研究表明，比如癌癥的發生發展是和其組織微環境的改變密切相關，那么，還有什么技術比非損傷微測技術，這一能夠在活體狀況下檢測微環境中各種離子分子活性的技術更合適的呢！

山西醫科大學的祁金順教授，利用非損傷微測技術建立起的腦切片組織生理檢測試驗體系，就是這方面的一個很好的例證（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

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

下面我就幾個非損傷微測技術可以彌補膜片鉗技術局限的地方跟大家分享一下，以便大家更好地結合兩者使用。

（a）‘零’電流問題

如上圖所示，當有等電荷的兩種離子進出同一片細胞膜的時候，膜片鉗技術將檢測不到電流。而此刻科研人員可以利用非損傷微測技術的多傳感器同時測量優勢進行研究。

（b）其它離子運輸載體和方式的研究

我們知道除了離子通道，生物細胞還有其它多種離子轉運方式，它們與離子通道一起，共同擔負著維持細胞和乃至整個生物體活性的各種生理功能。正如在（2）時間與空間中所說，將PC與NMT這兩個跨越不同時間和空間的技術相結合使用，對于我們更加全面的了解生物現象的本質，有著不可替代的作用。

（c）分子轉運的研究

毫無疑問，NMT非損傷微測技術在O2，H2O2，葡萄糖，乙酰膽堿等與生命活動密切相關的小分子，大分子跨膜運輸方面，將極大補充PC技術在這方面的不足。

（d）物理機械損傷

盡管‘高阻封接’成就了PC的單通道測量，但是其巨大的機械損傷，被證明不但是的確存在的，而且的確會產生錯誤的結果。那么，有另外一個相對獨立的技術對PC進行驗證，對科學研究的準確性無疑是個巨大利好。

廣州暨南大學的王立偉，陳麗新教授，利用NMT與PC結合，發現并推翻了PC過去錯誤的結論的故事很好地詮釋了這一點。（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）結束語

在一次社會名流的聚會上，當有人用略帶輕蔑的口吻對發現美洲新大陸的哥倫布說到：“你發現美洲沒有什么了不起的，只不過是你的運氣比別人好些罷了！”。哥倫布沒有馬上說什么，而是讓人拿來一個雞蛋向在場的所有人發出挑戰，看誰能夠把這個雞蛋立在桌子上。讀者們中很多人知道這個故事的結局，就是在這些人費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發明膜片鉗“不過”是在前人電生理的基礎上，略微地在玻璃電極與細胞膜接觸時施加了一點點負壓形成‘高阻封接’而已。同樣NMT非損傷微測技術的誕生，Jaffe和Newman他們“也無非” 就是讓離子/分子傳感器動了起來，進行‘兩點測量’而已！

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

他們就是科學界的哥倫布，幫助科學家們發現了科學世界的新大陸！

同學們，老師們，朋友們，現在非損傷微測技術已經來到了你的身邊，中國人在一些領域已經實現了彎道超車，能否先于他人把這個‘蛋’矗立在你們各自的研究領域，即是擺在你們面前的挑戰，大家準備好了嗎？！

參考文獻

• 美國對不同研究領域的投入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

• 非損傷微測技術實時檢測海馬腦片跨膜鈣離子流�！渡�理學報》2017年 第4期 | 李甜 原麗 張軍 焦娟娟 祁金順

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