自 1903 年 荷蘭生理學(xué)家 Willem Einthoven （1860~1927） 創(chuàng)立心電圖 至今，已走過一個(gè)多世紀(jì)的歷程,。目前,， 心電圖 已 成為臨床檢查心臟 許多 疾病不可缺少的常規(guī)手段 ，為人類的健康事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn) ,。但 對(duì) 心臟電學(xué) 的 重要 基礎(chǔ)—— 心肌細(xì)胞電生理學(xué) 的研究 ,， 卻要比心電圖晚起步半個(gè)世紀(jì)左右。 一方面 是 因?yàn)樾碾妶D的簡單有效,，臨床醫(yī)生只要有心電圖就可以進(jìn)行診療 ,； 另一方面是受到歷史發(fā)展中技術(shù)的限制。直到 1948 年 ,， 凌寧和 Gerard RW 在芝加哥大學(xué) 開 創(chuàng) 性地 拉制 出 尖端直徑小于 0.5 m m 的玻璃微電極,，才使心肌細(xì)胞電生理學(xué)的研究 歷史 翻開了新的一頁 。 可以 認(rèn)為,， 20 世紀(jì) 50 年代是心肌細(xì)胞電生理學(xué)研究的開創(chuàng)和發(fā)展時(shí)期,。 1962 年 ，美 國的 Wolfgang Trautwein 首先用細(xì)胞內(nèi) 微電極記錄 法記錄 了人類離體心房和心室肌標(biāo)本的動(dòng)作電位,。       1976 年 ,， 德國生 物物 理學(xué)家 Erwin Neher （ 1944~ ） 和 細(xì)胞生理學(xué)家 Bert Sakmann （ 1942~ ） 創(chuàng)立了膜片鉗技術(shù) 。 1981 年 牛津大學(xué)的 Powell T 首次 成功地 用酶液浸泡辦法分離人心室肌 ， 游離 出 單個(gè) 心肌 細(xì)胞 ,。 這些技術(shù)和方法都使得心肌細(xì)胞的離子流和離子通道的研究在 1981 年以后有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,。目前 ， 心肌細(xì)胞電生理學(xué) 已 逐漸 走向成熟而形 成一 門獨(dú)立 學(xué)科,， 心肌電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室 不僅在醫(yī)學(xué)院校有,，而且在大醫(yī)院的心內(nèi)科也紛紛成立 起來 。

      心肌細(xì)胞的活動(dòng)表現(xiàn)為力學(xué)變化和電學(xué)變化 兩個(gè)方面 ,。前者與心臟的泵血功能有關(guān),，而后者與心臟的節(jié)律活動(dòng)，即興奮在心內(nèi)的發(fā)生與傳播 有關(guān) ,。心肌細(xì)胞電生理學(xué)就是研究心肌細(xì)胞在正常和異常情況下的興奮發(fā)生與傳播機(jī)制。心肌細(xì)胞的興奮表現(xiàn) 為 動(dòng)作電位,，由于其興奮時(shí)細(xì)胞膜內(nèi) ,、 外的電位發(fā)生變化是在活動(dòng)時(shí)發(fā)生，所以稱為動(dòng)作電位,。而在不活動(dòng)時(shí)相對(duì)不變化的電位稱為靜息電位,。對(duì)于心肌細(xì)胞電生理學(xué)的研究有一個(gè)很長的發(fā)展過程。

一,、毛細(xì)管靜電計(jì)

      對(duì)動(dòng)作電位的觀察,，最早是在 19 世紀(jì)末， 1875 年 Gabriel Lippmann （ 1845~1921 ） 發(fā)明了 毛細(xì)管靜電計(jì) （ capillary electrometer ） ,。其方法是在毛細(xì)管內(nèi)充以水銀,，當(dāng)毛細(xì)管兩端有電位變化時(shí)，水銀的表面就上下波動(dòng),。記錄下這種波動(dòng)就表明其電位的變化,。以后 Burdon-Sanderson （ 1879 ） 和 Page （ 1883 ） 等 就是利用這種簡單的設(shè)備， 分別 記錄 到了 蛙和龜?shù)?心肌動(dòng)作電位,。他們把一個(gè)電極置于 完好無損 的心室表面,，另一電極放在已損傷的心尖部位 ，即可 記錄出活動(dòng)時(shí)的動(dòng)作電位以及不活動(dòng)時(shí)的靜息電位,。 他們當(dāng)時(shí)所記錄到的電位圖形近似于 現(xiàn)代用微電極記錄出的 跨膜 電位,。因?yàn)?完好的心室表面的電位可代表細(xì)胞外電位，而 損傷的心尖部位由于細(xì)胞膜受到破壞,， 此處的電位可 代表細(xì)胞內(nèi) 電位 ,。 1887 年，英國神經(jīng)生理學(xué)家 Augustus Waller （ 1816~1870 ）應(yīng)用 毛細(xì)管靜電計(jì)第一次成功地從人體體表描記 到了 心電圖波群,， 并在是年英國皇家學(xué)會(huì)的瑪麗醫(yī)院表演了在動(dòng)物和人體記錄心電圖的全過程,，盡管當(dāng)時(shí)的 技術(shù) 還很 粗糙，波形太小， 且 不穩(wěn)定,，不易辨認(rèn),，也記錄不到心房波 ，但這是一個(gè)偉大的創(chuàng)舉,。 這次具有重要?dú)v史意義 的 演示會(huì)深深 地 吸引了 一個(gè)年輕人 ,，并 由此 改變了他的一生，這 個(gè) 年輕人就是后來設(shè)計(jì)和創(chuàng)造了心電圖的 Willem Einthoven ,。

二,、玻璃微電極記錄法

      由于用 毛細(xì)管靜電計(jì) 記錄到的電位圖形復(fù)雜，在當(dāng)時(shí)條件下,，不可能得出滿意的解釋,。一直到細(xì)胞內(nèi)微電極記錄法出現(xiàn)后，才打開了研究心肌細(xì)胞電活動(dòng)的大門,。 1948 年芝加哥大學(xué)的凌寧和 Gerard 拉制 成 尖端直徑小于 0.5 m m 的玻璃微電極 （ microelectrode ） ,，由于這種 尖端 極細(xì)的微電極插入細(xì)胞內(nèi)時(shí)不會(huì)損傷細(xì)胞膜，所以可以記錄到準(zhǔn)確的膜電位,。當(dāng)時(shí)他們用這種微電極記錄到骨骼肌細(xì)胞的靜息電位,，為以后進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)記錄提供了可行的條件。英國劍橋大學(xué)的 Alan Lloyd Hodgkin （ 1914 ~ 1998 ） 和 Andrew Fielding Huxley （ 1917~ ） 得知凌寧的工作后,，親自到芝加哥大學(xué)訪問了凌寧,，并將拉制微電極的技術(shù)帶回英國。 1949 年同時(shí)有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室 （英國的 Hodgkin 實(shí)驗(yàn)和美國的凌寧實(shí)驗(yàn)室） 開始了心肌細(xì)胞內(nèi)動(dòng)作電位的記錄,。 Weidmann S. （瑞士）和 Cor a b o euf E. （法國）在 Hodgkin 實(shí)驗(yàn)室用微電極方法觀察了各種細(xì)胞的電活動(dòng),，最后他們集中對(duì)狗 的心肌浦肯野 纖維動(dòng)作電位進(jìn)行研究。與此同時(shí),，凌寧的學(xué)生 Woodbury J. 在限制活動(dòng)的蛙心臟上記錄到了心肌細(xì)胞的靜息電位和動(dòng)作電位,。

      自此，心肌細(xì)胞 電生理學(xué)的研究很快擴(kuò)展到世界其他國家,。在英國,，除了 劍橋大學(xué)的 Hodgkin 實(shí)驗(yàn)室 以外 ，還有牛津大學(xué)的 Vaughan-Willianms 實(shí)驗(yàn)室和 格拉斯哥 的 Hutter 實(shí)驗(yàn)室都在進(jìn)行 心肌 電生理學(xué)的研究,。而美國的 Hoffman 實(shí)驗(yàn)室成了美國 心肌 電生理學(xué)研究的中心,。法國生理學(xué)家 Cor a b o euf 從英國劍橋大學(xué)的 Hodgkin 實(shí)驗(yàn)室 回去后 ， 建立了自己的實(shí)驗(yàn)室,，以后成為法國心肌細(xì)胞 電生理學(xué)的研究中心,。德國的 Trautwein 和 Antoni 創(chuàng)立的 心肌細(xì)胞 電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室也發(fā)展成很有影響的研究室。 凌寧的學(xué)生 Woodbury 在 50 年代作為原子能委員會(huì)的成員到日本工作,，將心肌細(xì)胞 電生理學(xué)的研究傳給日本的入澤（ Irisawa ）,，另外，日本的 松田（ Mat s uda ） 在 1953 年到紐約 Hoffman 實(shí)驗(yàn)室工作，然后將實(shí)驗(yàn)技術(shù)帶回日本,。

      心肌細(xì)胞 電生理學(xué)的研究不僅很快擴(kuò)展到世界許多國家,，而且對(duì) 心肌細(xì)胞動(dòng)作的特性也進(jìn)行了詳細(xì)的研究。如區(qū)別快反應(yīng)動(dòng)作電位與慢反應(yīng)動(dòng)作電位,，節(jié)律細(xì)胞與工作細(xì)胞,，以及心肌細(xì)胞 K + 、 Na + 電導(dǎo)的變化等,。 Hoffman 和 Cranefield 于 1969 年發(fā)表的 “ Electrophysiology of the heart ” 是 這一時(shí)期的代表 作 ,， 曾被視為 心肌 電生理學(xué)的“圣經(jīng)” 而 廣為引用。

三,、電壓鉗技術(shù)

      電壓鉗技術(shù)（ voltage clamp ）是由 Cole 和 Marm o nt 設(shè)計(jì)的,，后經(jīng)英國劍橋大學(xué)的 Hodgkin 和 Huxley 成功 改進(jìn)。電壓鉗技術(shù)的原理是通過一個(gè)反饋電路向細(xì)胞膜內(nèi)注入電流,，使膜電位始終與指令電位保持一致,，如此 ， 便可在膜電位被鉗制于任何一個(gè)給定水平的狀態(tài)下記錄膜電流的變化,。 Hodgkin 和 Huxley 在槍烏 鲗 巨大神經(jīng)軸突上測得了的離子流。于 1963 年與 澳大利亞科學(xué)家 John Carew Eccles （ 1903~1997 ） 因研究神經(jīng)脈沖,、神經(jīng)纖維傳遞而共同獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),。 然而由于技術(shù)上的困難，在心肌細(xì)胞上用相似的方法來測定離 子流在很長時(shí)間 內(nèi)仍未得到 解決,。直到 1964 年,， 德國的 Trautwein 第一次用雙電極 電壓鉗技術(shù)在狗 的心肌浦肯野 纖維上記錄出離子流。自此開始到 80 年代,，有關(guān)心肌細(xì)胞離子流的研究工作主要集中在歐洲的幾個(gè) 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,，如 德國的 Trautwein 實(shí)驗(yàn)室 、比利時(shí)的 Isenberg 實(shí)驗(yàn)室,、法國的 Coraboeuf 實(shí)驗(yàn)室和英國的 Noble 實(shí)驗(yàn)室等,。

       在此期間，發(fā)現(xiàn)并闡明了心肌細(xì)胞各主要離子流（ I Na ,、 I Si ,、 I k1 、 I k ,、 I To ,、 I Ti 、 I Na-Ca 和 I pump 等）的基本特性,，為 心肌細(xì)胞 電生理學(xué)奠定了在離子流水平上的 基礎(chǔ) ,。其中值得一提的是以 I Ca 為主要電流的 I Si 的發(fā)現(xiàn)，這是在神經(jīng)纖維上所不具備 和 以前不為人 所 知的離子流。由此引起了對(duì)鈣離子流 的 研究熱潮,。 Noble 在 1979 年發(fā)表的“ Initiation of the heart beat ”一文可以說是這一時(shí)期的代表作,。

四、膜片鉗技術(shù)

      離子流研究的進(jìn)一步發(fā)展,，就提出了如何揭露單個(gè)離子通道的活動(dòng)的問題,。 1976 年德國 的 Neher 和 Sakmann 用他們獨(dú)創(chuàng)的膜片鉗技術(shù)（ patch clamp ），首次報(bào)道了在蛙的骨骼肌纖維上記錄到單通道電流,。后來經(jīng)過對(duì)該技術(shù)的改進(jìn),， Hamill 等 于 1981 年用該技術(shù) 在多 種細(xì)胞 進(jìn)行了 離子流研究。 Neher 和 Sakmann 因發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中單離子通道功能,，發(fā)展出這種能記錄極微弱電流通過單離子通道的 膜片鉗 技術(shù)而共同獲得 1991 年 諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),， 這是繼 Hodgkin 和 Huxley 后在離子流與離子通道研究中獲得的第二個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。 1981 年 Powell 首次 成功地 用酶液浸泡辦法分離人心室肌 ,， 游離 出 單個(gè) 心肌 細(xì)胞,。 這些技術(shù)都 為單個(gè)心肌細(xì)胞的離子流和離子通道的研究提供了條件，心肌細(xì)胞的單通道研究在 1981 年以后進(jìn)入了一個(gè)新階段,，不僅證實(shí)了一些以往只能從理論上進(jìn)行的推測,，而且還不斷發(fā)現(xiàn)了一些新的離子流和離子通道。用膜片鉗技術(shù)對(duì)心肌細(xì)胞的離子通道進(jìn)行研究 ,， 在 80 年代幾乎由歐洲的各著名實(shí)驗(yàn)室所壟斷,，到 20 世紀(jì) 80 ~ 90 年代 之交 ，美國科學(xué)家 才 逐漸取得優(yōu)勢,，結(jié)合分子生物學(xué)的研究,，心肌細(xì)胞的離子通道有了廣泛而深入的 進(jìn)展 。

      在心肌細(xì)胞膜上已知的離子流有： 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 研究心肌細(xì)胞電生理學(xué)的鉀離子流的熱潮,。以后 ,， 基因敲除技術(shù)的應(yīng)用 又 為離子通道的結(jié)構(gòu)研究開辟了新的前景,。 1983 年 Sakmann 和 Neher 寫了一本專著“ Single-channel recording” ，全面系統(tǒng)地介紹了膜片鉗技術(shù),。

      總之,，心肌細(xì)胞電生理學(xué)經(jīng)過 50 多年的發(fā)展，不僅已成為一個(gè)成熟的學(xué)科,，而且正以空前的速度深入發(fā)展,，雖然它屬于基礎(chǔ)理論學(xué)科，但卻受到臨床上提出的 許多 問題的強(qiáng)有力推動(dòng),，如何把實(shí)驗(yàn)室的研究應(yīng)用到臨床是目前心肌細(xì)胞電生理學(xué)研究的重點(diǎn),，若結(jié)合臨床進(jìn)行研究，例如心肌肥厚,、心房纖顫等心肌細(xì)胞膜上的離子通道或縫隙連接的重組等,，其成果就能應(yīng)用于臨床，并作為指導(dǎo)臨床實(shí)踐的理論依據(jù),。心肌細(xì)胞電生理學(xué)的研究在基礎(chǔ)理論上的重大意義和在指導(dǎo)臨床的實(shí)踐意義都在與日俱增,。

(沈霖霖 供稿)