PatchXpress 7000A 自动化并行膜片钳系统                      自动化并行膜片钳系统PatchXpress® 7000A是种能改革离子通道药剂开发的强大工具。它实现了几乎每个膜片钳使用者所期盼的强大功能。PatchXpress能直接记录膜片钳筛选下每个离子通道的功能，每天基本上可以获得数千个数据点，是现在普通膜片钳技术所能得到数据的10倍。 SealChip™ 电极使 PatchXpress 更具优势。这些平面电极颠覆了传统的膜片钳电极，使它们能够以多孔方式检测多个细胞。同时强大，精确，高度的扩展性和移液系统使得PatchXpress更加完善。
第一次深入研究靶离子通道 由于离子通道在例如象兴奋性和基因表达的细胞生理学中起着重要的作用，所以成为了理想的药剂开发靶点。虽然在理论上离子通道是合适的靶位，但是在药剂开发中还是处于未开发的领域。在高通量膜片钳实验领域中仍然没有直接检测离子通道活性的方法，所以研究者只能使用其他或者间接的技术方法进行筛选。PatchXpress 7000A改变了这一现状，用这一设备可以开发出一大批可用作药剂的离子通道。 使用PatchXpress进行直接测量的关键是 电压控制。 其他方法（比如荧光技术）无法控制膜电压，所以最后得到的结果无法直接呈现离子通道的活性。这直接导致了大量的假阳性和假阴性。相比之下，膜片钳技术使你能控制单个细胞的膜电压，直接检测通过它的离子通道的电流。这种检测方法得到的信息量只能对被测的化合物做定性分析。例如，你能控制细胞电压在某一特定频率，从而刺激它产生可以在设计聪明药时有帮助的离子通道功能数据。但对于PatchXpress而言，频率的控制是小事一桩。		PatchXpress减少了电生理学的成本 在提高通量的同时，PatchXpress大大地降低了每个数据点的成本（被测化合物得到的数据点）。现今，大多数离子通道药剂开发小组都聘请经过严格培训的电生理学家来操作膜片钳。离开了自动化操作，即使最好的膜片钳操作员每周也只能得到50个数据点。一旦使用了PatchXpress，技术员每周即可轻松得到多达1200个数据点。这大大降低了成本，如果你正考虑做离子通道药剂开发的话，这个大好机会千万不能错过。 SealChip16: 提高通量的关键 对于平面膜片钳 SealChip16 是提高离子通道药剂开发通量的关键。它的open-well模式提供了自动和并行的处理操作。不再需要讨厌的玻璃膜片钳移液器！PatchXpress系统可以自动把每个细胞放入16通道电极列阵的单个孔洞中，以便膜片钳操作。在独立的电压控制和每个通道都获得数据的情况下，可以形成千兆欧密封和全细胞状态。每个芯片平行地检测16个细胞，如果按照每天8小时的话，总共可以检测240个化合物，这是普通膜片钳不可能达到的。
2002年6月，Axon Instruments, Inc.和Aviva Biosciences Corporation联合宣布将合力开发一种使用 SealChip 技术的自动化膜片钳系统。这对于你意味着什么呢？一个离子通道专家？它意味着 Axon 将会尽快让 PatchXpress 系统能用于你的药剂开发中， 同时Aviva提供了可靠的电极生物芯片。事实上，制造出甚至是比传统的膜片钳吸液管电极更有效的平面电极是2家公司的共同愿望。 Aviva的平面电极在哺乳动物组织培养细胞进行千兆欧密封具有很高的成功率。大部分细胞形成了全细胞状态而且至少能维持15分钟，在记录数据期间都能得到可信的Rm，Ra和保持电流值。使用 SealChip16 电极测得的实验记录整合了被测化合物的典型3相状态，同时还有包括了测试化合物的基线记录，然后紧接着洗脱后得到的另一个基线检测数据，由此可以决定该化合物的影响是否可逆。		PatchXpress SealChip16 The SealChip16 电极由16个大约直径为1µm的平面膜片钳组成，每个以4.5 mm的间距排列成一直线。每个平面电极能够独立地记录哺乳动物组织培养细胞的电流。每个洞上的孔大约能容纳50 µl到100 µl的外液，同时在下面小很多的小孔是用来存放内液。总的来说，每个 SealChip16 电极看上去象个384孔板里的一个小柱孔。与传统的膜片钳相同， SealChip16 电极在使用后也需要进行处理，这是由于前次使用后留下的细胞残骸可能会影响下一次千兆欧密封的进行。 直观地观看对RBL细胞使用单通道的平面膜片钳实验，下载观看 Aviva video [AVI].
高质量的自动化膜片钳 PatchXpress 7000A能独立地控制每个通道，得到最佳的实验记录。例如，独立的电压控制意味着每个通道能更好地进行千兆欧密封形成全细胞状态，这是由于每个细胞形成全细胞的密封时间千差万别。独立的通道意味着记录时噪音能大大减少。独立的电压控制同时能通过很好地控制重要的膜参数来降低整个细胞的Ra值。 自动控制电压能得到最佳的膜参数 在膜片钳实验中，一个老练的电生理学者总是盯紧一些好比Rm，Ra和保持电流值等重要的膜参数。如果这些膜参数发生了变化对于膜片钳操作者来说就意味着实验数据的可信度打了折扣。在一个失误的实验中，电流幅值发生了变化进而使膜参数值发生了变化，但细胞的生物学形态没有发生改变。聪敏的膜片钳操作员会使用电压控制来优化这些参数，这样才能确保实验记录的可靠性。 膜的Rm值，与初始的进行千兆欧密封和细胞的输入电阻值有关（通常越大的细胞输入电阻值越小，这是因为它们打开了更多的处于休眠或“泄漏”的通道）。PatchXpress提供的独立和自动的电压控制使得每个实验都形成了紧密的千兆欧密封。紧密的千兆欧密封对于降低噪声，形成稳定，持久的全细胞状态是至关重要的。 Ra值与初始的电极电阻和细胞内阻有关。例如，如果内部的细胞器堵住了平面膜片钳电极的尖端，Ra值会上升。如果Ra值太高，同时所测得的电流幅值远大于1 nA，会发生明显的电压错误。这是由于欧姆定律（电压=电阻*电流）。这就好比，如果Ra值在记录过程中达到了20MΩ同时电流幅值达到1 nA，最后相乘所得的电压值是20 mV，这明显是错误的！大家都能很容易地看出这样会导致筛选实验中假阳性和假阴性。PatchXpress系统使用了自动电压控制，它的好处就是在整个实验记录过程中能维持相对恒定的Ra值。 用于记录配体门控和电压门控离子通道的移液装置 PatchXpress简明操作的截图 PatchXpress具有以下一些移液装置： 使用一次性的移液器把细胞放入SealChip16的电极孔中。 使用一次性的移液器进行化合物测试。 用缓冲液自动冲洗被测化合物过程中使用的冲洗探针。 在实验过程中综合应用能准确定时地出现。一次性的移液器的使用能确保药物检测间没有交叉污染。单个应用或累积剂量效应中都配有移液系统。 从图1中可以看到，测试化合物的速度之快完全可以用于配体门控和电压门控的离子通道研究中。这张图显示了使用内源表达内向调控钾离子通道的RBL细胞进行实验得到的结果。保持电压维持在-80 mV，外部加入高浓度的钾离子溶液改变了保持电流。花了数百毫秒达到了90%的交换，通过这些时间达到了一个新的平衡。用不同的缓冲液进行冲洗，达到峰值并维持了大约100 ms（见 图1） 图1 筛选电压和配体门控离子通道是易如反掌 使用自动化的膜片钳系统来记录电压和配体门控离子通道的电流是完全可行的。特殊的PatchXpress平面电极和流控系统能为这2种离子通道的膜片钳研究提供高质量的数据记录。 图2显示了一个测量由电压激活通过CHO细胞表达的Kv1.1钾离子通道的电流的实验（William Thornhill博士，Fordham大学）。面板A（蓝色）显示了从-60到+60 mV以10mV递增的电压下得到的错误或未加工的Kv1.1的数据。面板B（红色）显示了使用软件控制线性泄漏和电容修正（P/4 routine）得到的修正的数据。面板C中的I-V曲线图，显示了使用和未使用P/4 routine得到的数据，2组数据基本上稳定和相似 图2. Kv1.1钾离子通道电流，未修正数据（A）和（B）线性泄漏还有消去电容的数据。 面板C显示了2组实验中I-V的关系。数据由Jia Xu and Antonio Guia博士提供 （AVIVA生物科学） 图3 显示了使用平面电极在同一个膜片钳中的细胞用100 µM和1 mM的乙酰胆碱处理产生的对配体激活不敏感的电流数据。从1个gigaseal开始自动记录全细胞膜片钳实验数据（电压维持在-80 mV）。使用控制软件放大器和电压控制器即使转换成全细胞模式也能自动控制（MultiClamp 700A）。使用PatchXpress机器流控系统对于乙酰胆碱作用产生的内向电流也一一记录下来。长条的长度即显示了与乙酰胆碱反应的时间。使用紧密排列在记录孔基部的灌满液体的小管进行冲洗，这样能够加快洗脱速度。 图3. 直接与100 µM 和1 mM的乙酰胆碱反应产生的配体激活电流   PatchXpress软件用来监测膜片钳实验：一位虚拟的电生理学家 PatchXpress的中枢神经系统是它的软件。除了直接控制PatchXpress硬件系统以外，PatchXpress程序能在实验过程中做出正确的决定---就好象一位经验丰富的膜片钳操作者----这也是为了让实验能步上正轨。 PatchXpress软件使得实验结果更加直观，同时拥有友好的操作界面。膜片钳使用者甚至可以导入相似的事件参数文件。 在实验过程中，PatchXpress软件自主地控制着所有自动化设备，同时把16个通道同时进行的膜片钳实验状态信息完全地展示在用户面前。 以下是在PatchXpress软件控制下的典型实验中运行的一系列步骤： 运行 SealChip16 电极 电极中加入内液 放入细胞 加入适当的电压以便形成千兆欧密封 继续加压直到形成了全细胞状态 开始电压操作步骤同时记录基线电流 监测整体的膜参数 放入被测化合物 开始电压操作步骤并记录电流 冲洗化合物 开始电压操作步骤并记录电流 创建一个包含所有实验详细信息的质量控制统计文件。（见图例） “监测整体的膜参数”这一步十分重要，这一说法需要解释一下。在每个屏幕前，使用者都会预先确定一个可以接受的实验记录的标准。例如，Ra和Rm的值要分别控制在15 MΩ和500 MΩ左右。在某次实验中，如果Ra值超过了15 MΩ同时/或者Rm值低于了500 MΩ，这时PatchXpress软件会立即采取行动。首先开始轻吸（负压）为的是去除可能引起Ra升高的阻塞物（比如细胞内的细胞器）。在最理想的情况下，这个负压也会促进密封同时使Rm值上升（或维持）至500 MΩ。在最糟的情况下，软件会在用户界面上提示出现了不符合标准的数据。更重要的是，在今后的实验中，有价值的被测化合物将不会用来与该细胞作用。PatchXpress软件和自动移液装置协同配合，让被测化合物只与符合标准的细胞作用。 PatchXpress数据将是以标准的文本文件和Axon二元文件（ABF）的形式输出的。ABF文件能直接输入DataXpress程序中用来自动分析或者Clampfit中做详细的人工分析。一些网上分析比如最高电流幅度在PatchXpress实验过程中也是适用的（输出为文本文件）。 DataXpress是一个专门为eCLAMP, OpusXpress 和PatchXpress设计的数据库程序，能够自动整理和分析数据文件。DataXpress还能自动产生IV和剂量效应图。PatchXpress实验得到的网上数据也能直接用于DataXpress，药物筛选的成败都会显示出来。 图4. 单个平面膜片钳实验中记录的膜参数反应了记录的质量。在这个实验中，Ra始终低于15 MΩ同时Rm值超过500 MΩ的时间也长达15分钟。保持电流值和全细胞电容值也都显示了。   20年的经验 作为世界范围内电生理学软硬件的领头羊，Axon数十年的经验造就了PatchXpress 7000A。近20年来，Axon为科研和制药实验室的电生理学家提供了最尖端的离子通道研究工具。The PatchXpress 7000A就是在这个核心技术的基础之上开发出来的，拥有革命性的 SealChip 技术，该技术提高了多细胞并行筛选离子通道的通量。 MultiClamp放大器：无声的重负荷机器 PatchXpress 7000A中有8个MultiClamp 700A微电极放大器，每个与2个CV-7A探头相连。这些电脑控制的膜片钳放大器在该领域经历了超过2年的考验，由于没有旋钮和按钮是自动化膜片钳的理想之选。PatchXpress软件控制了各个放大器通道的设置，使得操作者能做以下的选择： 电流钳还是电压钳 可选50 MΩ, 500 MΩ, 5 GΩ,或者50 GΩ的电压钳电阻反馈器 60低通Bessel滤波器设置 与MultiClamp微电极放大器的联合使用，PatchXpress 7000A可以让你进行详细的研究模式实验或者更高通量的筛选实验：同时向Axon用户保证在几年内都能有高的保真度和高质量的实验数据。 膜片钳数据获取：我们的专长 询问任何一位电生理学家电生理学软件的工业标准是什么，答案毫无疑问都会是pCLAMP。开发一款灵活和界面友好的电生理学软件是一项艰巨的任务。我们开发出的pCLAMP，在每次新版本升级背后都凝聚了我们近20年的专业经验。同样的专业精神也体现在了开发PatchXpress软件中。  对于普通的膜片钳应用，Digidata 1322A（见图）促进了电脑与放大器的交流（数字转模拟 或者 D to A 转化和模拟转数字或者  A to D  转化）。PatchXpress整合了改进后具有16个模拟输入和输出的Digidata（Digidata 1322A只有2个模拟输出）。 PatchXpress 7000A的开发也是从世界上第一个并行电生理学记录系统 OpusXpress 6000A, 中获得的经验。在开发OpusXpress过程中，Axon得到了关于开发应用于离子通道筛选的移液和电生理学获取数据软件的宝贵经验。以下引用了OpusXpress使用者Roger Papke博士（Florida大学）关于使用高质量，自动化电压钳系统的优势的叙述。 “Axon的PatchXpress and OpusXpress产品系列为高通量的药物研究与开发提供了高质量的研究设备。同时，它还为使用这些系统的科研人员带来了无法估量的潜在生产力。我们实验室十分幸运地参与了OpusXpress beta的测试。在一个月的测试过程中，我们完成了一个本来至少要2年才能完成的课题。” 功能及用途 PatchXpress是一个自动高通量的电生理学工作站。 同时对多个哺乳动物细胞进行自动并行膜片钳记录 千兆欧密封（细胞贴附电阻>1 GΩ）来开始记录 真正的全细胞状态记录 Low access resistance (Ra) values achieved by 16 independent pressure controllers 通过16个独立的电压控制器使Ra维持在较低的水平 建立在Digidata 1322A成熟技术基础之上的高保真的16通道输入/输出数字转换器 尺寸：58"宽 x 30"深 x 66"高（加上24" 显示器边缘） 高速的全细胞电压和电流钳 具有16 个CV-7A探头的8组MultiClamp（成熟技术） 电压钳模式下的4个不同的反馈电阻器不管电流是否是pA 或者nA级的，都能提供高保真的记录 电流钳又快又准，这是因为有了具有电压输出回路的CV-7A探头 单个使用平面膜片钳电极基片（16通道） Aviva芯片对于全细胞记录有很高的成功率（千兆欧密封，维持15分钟，Ra < 15 MΩ（未调整）以及Rm > 200 MΩ） 平面格式能使化合物从顶部加入 一次性电极/槽避免了交叉污染 整合了智能的移液装置促进了记录中药物的应用 被测化合物只加入到能得到好结果的细胞中，进而减少了宝贵材料的浪费 提供槽的冲洗 快速的溶液交换 只需小体积的被测化合物（~50 µl） 一次性枪头消除了交叉污染 提供了累积剂量效应实验 整合了获取和分析数据的软件 16个视窗直观地反映了16个通道的记录 “Chart-recorder”窗口可以看到线上的统计列表，例如随着时间的过去的最高幅度 宽屏显示器能简单地观看16个视窗和“Chart-recorder”窗口 输出的文本文件显示了在使用者标准的基础之上的结果 具有分析软件，能快速地得到I-V曲线图和剂量效应曲线 订货信息 PatchXpress 7000A 完整的软硬件包装，其中有所有硬件，电子产品和全部操作所需的软件，包括一台装有PatchXpress软件的电脑。

OpusXpress 7000A Papers：
1. The neuroprotective effect of 2-(3-pyridyl)-1-azabicyclo[3.2.2]nonane (TC-1698), a novel alpha7 ligand, is prevented through angiotensin II activation of a tyrosine phosphatase.  Marrero MB, Papke RL, Bhatti BS, Shaw S, Bencherif M. Journal of Pharmacology & Experimental Therapeutics  309(1):16-27 (2004).
2. Molecular dissection of tropisetron, an alpha7 nicotinic acetylcholine receptor-selective partial agonist.  Papke RL, Schiff HC, Jack BA, and Hornstein NA. Neuroscience Letters 378  (3):140-144 (2005).
3. Tyrosine residues that control binding and gating in the 5-HT3 receptor revealed by unnatural amino acid mutagenesis.  Darren L. Beene, Kerry L Price, Henry A Lester, Dennis A Dougherty, and Sarah CR Lummis. Journal of Neuroscience  24: 9097-9104 (2004).