肖申克的救赎 中英字幕:【生理学课外读物】心肌细胞电生理学的发展简史

      自 1903 年 荷兰生理学家 Willem Einthoven （1860~1927） 创立心电图 至今，已走过一个多世纪的历程。目前， 心电图 已 成为临床检查心脏 许多 疾病不可缺少的常规手段 ，为人类的健康事业做出了巨大贡献 。但 对 心脏电学 的 重要 基础—— 心肌细胞电生理学 的研究 ， 却要比心电图晚起步半个世纪左右。 一方面 是 因为心电图的简单有效，临床医生只要有心电图就可以进行诊疗 ； 另一方面是受到历史发展中技术的限制。直到 1948 年 ， 凌宁和 Gerard RW 在芝加哥大学 开 创 性地 拉制 出 尖端直径小于 0.5 m m 的玻璃微电极，才使心肌细胞电生理学的研究 历史 翻开了新的一页 。 可以 认为， 20 世纪 50 年代是心肌细胞电生理学研究的开创和发展时期。 1962 年 ，美 国的 Wolfgang Trautwein 首先用细胞内 微电极记录 法记录 了人类离体心房和心室肌标本的动作电位。       1976 年 ， 德国生 物物 理学家 Erwin Neher （ 1944~ ） 和 细胞生理学家 Bert Sakmann （ 1942~ ） 创立了膜片钳技术 。 1981 年 牛津大学的 Powell T 首次 成功地 用酶液浸泡办法分离人心室肌 ， 游离 出 单个 心肌 细胞 。 这些技术和方法都使得心肌细胞的离子流和离子通道的研究在 1981 年以后有了突飞猛进的发展。目前 ， 心肌细胞电生理学 已 逐渐 走向成熟而形 成一 门独立 学科， 心肌电生理学实验室 不仅在医学院校有，而且在大医院的心内科也纷纷成立 起来 。

      心肌细胞的活动表现为力学变化和电学变化 两个方面 。前者与心脏的泵血功能有关，而后者与心脏的节律活动，即兴奋在心内的发生与传播 有关 。心肌细胞电生理学就是研究心肌细胞在正常和异常情况下的兴奋发生与传播机制。心肌细胞的兴奋表现 为 动作电位，由于其兴奋时细胞膜内 、 外的电位发生变化是在活动时发生，所以称为动作电位。而在不活动时相对不变化的电位称为静息电位。对于心肌细胞电生理学的研究有一个很长的发展过程。

一、毛细管静电计

      对动作电位的观察，最早是在 19 世纪末， 1875 年 Gabriel Lippmann （ 1845~1921 ） 发明了 毛细管静电计 （ capillary electrometer ） 。其方法是在毛细管内充以水银，当毛细管两端有电位变化时，水银的表面就上下波动。记录下这种波动就表明其电位的变化。以后 Burdon-Sanderson （ 1879 ） 和 Page （ 1883 ） 等 就是利用这种简单的设备， 分别 记录 到了 蛙和龟的 心肌动作电位。他们把一个电极置于 完好无损 的心室表面，另一电极放在已损伤的心尖部位 ，即可 记录出活动时的动作电位以及不活动时的静息电位。 他们当时所记录到的电位图形近似于 现代用微电极记录出的 跨膜 电位。因为 完好的心室表面的电位可代表细胞外电位，而 损伤的心尖部位由于细胞膜受到破坏， 此处的电位可 代表细胞内 电位 。 1887 年，英国神经生理学家 Augustus Waller （ 1816~1870 ）应用 毛细管静电计第一次成功地从人体体表描记 到了 心电图波群， 并在是年英国皇家学会的玛丽医院表演了在动物和人体记录心电图的全过程，尽管当时的 技术 还很 粗糙，波形太小， 且 不稳定，不易辨认，也记录不到心房波 ，但这是一个伟大的创举。 这次具有重要历史意义 的 演示会深深 地 吸引了 一个年轻人 ，并 由此 改变了他的一生，这 个 年轻人就是后来设计和创造了心电图的 Willem Einthoven 。

二、玻璃微电极记录法

      由于用 毛细管静电计 记录到的电位图形复杂，在当时条件下，不可能得出满意的解释。一直到细胞内微电极记录法出现后，才打开了研究心肌细胞电活动的大门。 1948 年芝加哥大学的凌宁和 Gerard 拉制 成 尖端直径小于 0.5 m m 的玻璃微电极 （ microelectrode ） ，由于这种 尖端 极细的微电极插入细胞内时不会损伤细胞膜，所以可以记录到准确的膜电位。当时他们用这种微电极记录到骨骼肌细胞的静息电位，为以后进行细胞内记录提供了可行的条件。英国剑桥大学的 Alan Lloyd Hodgkin （ 1914 ~ 1998 ） 和 Andrew Fielding Huxley （ 1917~ ） 得知凌宁的工作后，亲自到芝加哥大学访问了凌宁，并将拉制微电极的技术带回英国。 1949 年同时有两个实验室 （英国的 Hodgkin 实验和美国的凌宁实验室） 开始了心肌细胞内动作电位的记录。 Weidmann S. （瑞士）和 Cor a b o euf E. （法国）在 Hodgkin 实验室用微电极方法观察了各种细胞的电活动，最后他们集中对狗 的心肌浦肯野 纤维动作电位进行研究。与此同时，凌宁的学生 Woodbury J. 在限制活动的蛙心脏上记录到了心肌细胞的静息电位和动作电位。

      自此，心肌细胞 电生理学的研究很快扩展到世界其他国家。在英国，除了 剑桥大学的 Hodgkin 实验室 以外 ，还有牛津大学的 Vaughan-Willianms 实验室和 格拉斯哥 的 Hutter 实验室都在进行 心肌 电生理学的研究。而美国的 Hoffman 实验室成了美国 心肌 电生理学研究的中心。法国生理学家 Cor a b o euf 从英国剑桥大学的 Hodgkin 实验室 回去后 ， 建立了自己的实验室，以后成为法国心肌细胞 电生理学的研究中心。德国的 Trautwein 和 Antoni 创立的 心肌细胞 电生理学实验室也发展成很有影响的研究室。 凌宁的学生 Woodbury 在 50 年代作为原子能委员会的成员到日本工作，将心肌细胞 电生理学的研究传给日本的入泽（ Irisawa ），另外，日本的 松田（ Mat s uda ） 在 1953 年到纽约 Hoffman 实验室工作，然后将实验技术带回日本。

      心肌细胞 电生理学的研究不仅很快扩展到世界许多国家，而且对 心肌细胞动作的特性也进行了详细的研究。如区别快反应动作电位与慢反应动作电位，节律细胞与工作细胞，以及心肌细胞 K + 、 Na + 电导的变化等。 Hoffman 和 Cranefield 于 1969 年发表的 “ Electrophysiology of the heart ” 是 这一时期的代表 作 ， 曾被视为 心肌 电生理学的“圣经” 而 广为引用。

三、电压钳技术

      电压钳技术（ voltage clamp ）是由 Cole 和 Marm o nt 设计的，后经英国剑桥大学的 Hodgkin 和 Huxley 成功 改进。电压钳技术的原理是通过一个反馈电路向细胞膜内注入电流，使膜电位始终与指令电位保持一致，如此 ， 便可在膜电位被钳制于任何一个给定水平的状态下记录膜电流的变化。 Hodgkin 和 Huxley 在枪乌 鲗 巨大神经轴突上测得了的离子流。于 1963 年与 澳大利亚科学家 John Carew Eccles （ 1903~1997 ） 因研究神经脉冲、神经纤维传递而共同获得诺贝尔生理学或医学奖。 然而由于技术上的困难，在心肌细胞上用相似的方法来测定离 子流在很长时间 内仍未得到 解决。直到 1964 年， 德国的 Trautwein 第一次用双电极 电压钳技术在狗 的心肌浦肯野 纤维上记录出离子流。自此开始到 80 年代，有关心肌细胞离子流的研究工作主要集中在欧洲的几个 实验室进行，如 德国的 Trautwein 实验室 、比利时的 Isenberg 实验室、法国的 Coraboeuf 实验室和英国的 Noble 实验室等。

       在此期间，发现并阐明了心肌细胞各主要离子流（ I Na 、 I Si 、 I k1 、 I k 、 I To 、 I Ti 、 I Na-Ca 和 I pump 等）的基本特性，为 心肌细胞 电生理学奠定了在离子流水平上的 基础 。其中值得一提的是以 I Ca 为主要电流的 I Si 的发现，这是在神经纤维上所不具备 和 以前不为人 所 知的离子流。由此引起了对钙离子流 的 研究热潮。 Noble 在 1979 年发表的“ Initiation of the heart beat ”一文可以说是这一时期的代表作。

四、膜片钳技术

      离子流研究的进一步发展，就提出了如何揭露单个离子通道的活动的问题。 1976 年德国 的 Neher 和 Sakmann 用他们独创的膜片钳技术（ patch clamp ），首次报道了在蛙的骨骼肌纤维上记录到单通道电流。后来经过对该技术的改进， Hamill 等 于 1981 年用该技术 在多 种细胞 进行了 离子流研究。 Neher 和 Sakmann 因发现细胞中单离子通道功能，发展出这种能记录极微弱电流通过单离子通道的 膜片钳 技术而共同获得 1991 年 诺贝尔生理学或医学奖， 这是继 Hodgkin 和 Huxley 后在离子流与离子通道研究中获得的第二个诺贝尔奖。 1981 年 Powell 首次 成功地 用酶液浸泡办法分离人心室肌 ， 游离 出 单个 心肌 细胞。 这些技术都 为单个心肌细胞的离子流和离子通道的研究提供了条件，心肌细胞的单通道研究在 1981 年以后进入了一个新阶段，不仅证实了一些以往只能从理论上进行的推测，而且还不断发现了一些新的离子流和离子通道。用膜片钳技术对心肌细胞的离子通道进行研究 ， 在 80 年代几乎由欧洲的各著名实验室所垄断，到 20 世纪 80 ~ 90 年代 之交 ，美国科学家 才 逐渐取得优势，结合分子生物学的研究，心肌细胞的离子通道有了广泛而深入的 进展 。

      在心肌细胞膜上已知的离子流有： I Na 、 I Ca(T-,L-) 、 I k1 、 I To 、 I k(ATP) 、 I k(Ach) 、 I kp 、 I k(Na) 、 I k(Ca) 、 I F 、 I Cl 、 I Na-Ca 和 I pump 等。 90 年代 掀起了 研究心肌细胞电生理学的钾离子流的热潮。以后 ， 基因敲除技术的应用 又 为离子通道的结构研究开辟了新的前景。 1983 年 Sakmann 和 Neher 写了一本专著“ Single-channel recording” ，全面系统地介绍了膜片钳技术。

      总之，心肌细胞电生理学经过 50 多年的发展，不仅已成为一个成熟的学科，而且正以空前的速度深入发展，虽然它属于基础理论学科，但却受到临床上提出的 许多 问题的强有力推动，如何把实验室的研究应用到临床是目前心肌细胞电生理学研究的重点，若结合临床进行研究，例如心肌肥厚、心房纤颤等心肌细胞膜上的离子通道或缝隙连接的重组等，其成果就能应用于临床，并作为指导临床实践的理论依据。心肌细胞电生理学的研究在基础理论上的重大意义和在指导临床的实践意义都在与日俱增。

(沈霖霖 供稿)