非损伤性扫描离子选择电极技术及其在后基因组...（一）

非损伤性扫描离子选择电极技术及其在后基因组时代的应用

许越^1,2,3)   Joseph G. Kunkel³⁾   Alan Shipley⁴⁾ 张平⁵⁾ 王世强⁶⁾

张旭家⁷⁾ 何奕昆⁸⁾ 印莉萍⁸⁾ 杨黄恬⁹⁾ 上官宇¹⁾     叶鑫生¹⁰⁾

( ¹⁾美国扬格公司，YoungerUSA Company, P.O. Box 37106, Raleigh, NC 27627 USA
²⁾Department of Botany, North Carolina State University, Raleigh, NC 27695 USA
³⁾Vibrating Probe Facility, University of Massachusetts, Amherst, MA 01003 USA
⁴⁾Applicable Electronics Inc., P.O. Box 589, Forestdale, MA 02644 USA
⁵⁾Department of Physiology, Yale University, New Haven, CT 06520 USA
⁶⁾北京大学生命科学学院，生理学与生物物理学系/生物膜与生物工程国家重点实验室，
北京 100871
⁷⁾中国科学院生物物理所，生物大分子国家重点实验室，北京 100101
⁸⁾首都师范大学，生命科学学院， 北京 100037
⁹⁾中国科学院上海生命科学研究院/上海第二医科大学健康科学研究所, 上海 200025
¹⁰⁾国家自然科学基金委员会，生命科学部，北京 100085 )
摘要 非损伤性扫描离子选择电极技术(Scanning Ion-selective Electrode Technique: SIET‘读音:斯爱特’)在不接触被测生物样品－即：在保持被测生物医学样品完整和近乎实际生理环境的状态下，获得进出样品的各种分子和离子的信息。该技术不仅能够测量离子及分子静止状态下的绝对浓度，而且还可以测量它们进出生物样品的运动速率及运动方向。SIET可以围绕被测的单个或多个细胞、组织甚至器官进行灵活、方便而准确的立体测量并获得被测物体周围的离子或分子的三维立体数据。目前，SIET不但可以测量H⁺,Ca²⁺,K⁺,Al³⁺,K⁺,Cd²⁺,Cl^－和O₂，CO₂，NO及温度等参数，而且可以同时采集多种离子及参数，为获得生物样品外分子或离子运动的有关信息提供了良好的实验平台。
关键词 非损伤性电生理技术,离子选择性电极,离子跨膜运输,SIET
中图分类号 Q2, Q6, R3, R4, R9, S1, TB37, X8
　
通讯联系人. Yue (Jeff) Xu, YoungerUSA Co., P.O. Box 37106, Raleigh, NC 27627 USA        

1. 前言

基因组研究后期所面临的一个挑战就是如何理解和确认那些未知的或者人工表达的蛋白质功能，特别是细胞质膜上的离子的运输载体本身的研究，以及由这些蛋白质所产生的众多信息是如何被细胞正确地整合到一起的？非损伤性扫描离子选择电极技术(Scanning IonSelective Electrode Technique: SIET‘读音: 斯爱特’)作为一个综合性较强电生理技术成为迎接这一挑战的理想工具。

SIET技术的核心是离子和分子选择性微电极(以下简称：离子电极)(见图1a)，由Kühtreiber和 Jaffe在1990年设计的一套由计算机控制的自动定位测量系统演变发展而成^[1]。其中Kunkel，Shipley和Karplus于1996年在计算机控制、信号放大和三维测量方面做了较大的改进，并将其定名为SIET。由于SIET能够以非损伤的方式测量到进出生物材料的离子以及分子的运动速率，并随着离子/分子电极种类的不断增多以及电子线路技术和计算机硬件软件的逐步完善，SIET逐渐被应用到基础生物学、生理学、神经生物学、空间生物学、临床医学、基础医学、病理学、毒理学、营养学、农林学及药物机理研究等领域。

尽管，人们通过膜电压的测量，膜片钳技术 ^[2,3,4]，及与显微技术相结合的荧光感染料技术的应用，获得了一些有关离子分布和运动的情况，但是，SIET技术作为对上述几项技术的一项重要补充，并以其特有的时间和空间分辨率，为鉴定或验证某些生物膜运输系统的功能提供了非常有力的工具(见图1b)。在这篇综述里，我们将介绍SIET的基本原理、方法、局限性及其在各个研究领域中的应用状况。

Fig.1 Ion-selective electrode and temporal / spatial resolutions of SIET.

图1离子选择性电极和SIET时间和空间分辨率分布。

(a)Ca²⁺电极的显微照片，LIX(Liquid Ion Excahnger液体离子交换剂)；(b)SIET作为一个开放式的实验平台，在生物医学研究过程中，较好的填补了整体组织研究过程中通过较慢的化学痕量方法(B)，与较快的通过染料标记或膜片钳等局部研究方法(A)两者之间的技术空白。