パッチクランプ法の簡単な歴史 — パート2：装置の構築

電気生理学者によって、電気生理学者のために

19 世紀の終わりには、電気生理学分野では生体電気の存在と活動電位のイオン的性質がしっかりと把握されていました。しかし、記録技術は今日の基準からはまだ粗雑なものでした。膜ダイナミクスをより詳細に研究するためには、高解像度、精密な制御、そして優れた安定性が必要でした。そして20世紀――装置の時代の到来です。

ダイオウイカの軸索から電位クランプ法へ：初の直接的な細胞内記録の誕生

1939年、John Z. Youngがダイオウイカの巨大軸索を電気生理学研究のモデルとして導入したことで、研究は大きな転機を迎えました。 この軸索は直径が非常に大きく、生きたニューロン内に電極を直接挿入することが可能となり、当時の小型の脊椎動物の神経では不可能だった実験が実現しました。

その直後、Alan HodgkinとAndrew Huxleyは、Kenneth ColeとHoward Curtisとともに、ダイオウイカの軸索に細胞内電極を挿入し、膜電位および活動電位の直接測定を可能にしました。これらの記録により、電気生理学は定量的な科学へと進化しました。

その後、1949年にColeとGeorge Marmontが独立して電圧クランプを開発しました。この画期的な発明により、科学者は膜電位を一定に保ちながらイオン電流を測定することが可能になりました。これにより、研究者は初めて、電流と電圧の関係、およびチャネルのカイネティクスを時間的に正確に解明することができました。

モデルの改良：イオン選択性と定量電気生理学の誕生

1940年代から1950年代初頭にかけて、Goldman-Hodgkin-Katz（GHK）方程式は、イオン透過性に基づく膜電位に関する数学的枠組みを提供しました。これにより、膜を横切る複数のイオンを考慮してネルンスト方程式が一般化され、実際の細胞をより正確にモデル化することが可能になりました。

1952年、HodgkinとHuxleyはさらに一歩進めました。電圧クランプデータを用いて、活動電位中のNa⁺とK⁺チャネルのゲート制御挙動を数学的に記述しました。

彼らのモデルは現在も膜生物物理学の基準となっており、彼らは（John Ecclesと共に）1963年にノーベル賞を受賞しました。

マイクロピペットとマイクロ電極：記録ツールの進化

ダイオウイカの軸索における細胞内記録は大きな前進でしたが、哺乳類や培養細胞の多くでは実現が困難でした。1949年、Gilbert LingとRalf Gerardは、ほとんどの細胞に損傷を与えることなく侵入できるほど先端の直径が小さなガラス製マイクロピペット電極を開発し、この課題に取り組みました。

1960年代後半、Erwin NeherとHans Dieter Luxは、シャント抵抗を改善した火炎研磨マイクロピペットを発表しました。

このピペットは、穏やかな吸引により細胞膜との密閉性を高め、漏れやノイズを最小限に抑えました。これは、小さな細胞での正確な記録に不可欠な要素でした。

細胞内灌流法から単一チャネル電流の測定へ

1970年代を通じて、細胞内灌流は、Peter Baker、Trevor Shaw、Alan Hodgkinによって開拓された、細胞内のイオン組成を制御するための重要な技術となりました。これと並行して、Oleg Krishtal、Volodymyr Pidoplichko、Kai S. Leeなどの研究者たちは、チャンバーおよびピペットを用いた灌流法を用いて、これまでにない精度でシングルセルをターゲットとする精巧なシステムを開発しました。

しかし、最も大きな変革をもたらしたのは、1976 年に Neher と Bert Sakmann が単一のイオンチャネル電流を測定する方法を開発したことでした。

マイクロピペットの先端を 1～2 μm まで縮小し、細胞膜と高抵抗（ギガオーム、GΩ）のシールを形成することで、個々のチャネルの電流を記録するために必要なノイズの遮断を実現し、現代のパッチクランプ技術に直接つながりました。

1981年にSigworth、Marty、Hamillと共著で発表した画期的な論文は、パッチクランプ記録をイオンチャネル分析の金標準として確立しました。1991年、NeherとSakmannはこの業績により、生理学または医学分野のノーベル賞を受賞しました。

電気生理学がハイスループット化：自動化と光遺伝学

2000年代初頭、創薬および機能ゲノム研究における規模の拡大に伴い、電気生理学は自動化へと向かいました。2002年、Axon Instruments（アラン・フィンケル氏設立）は、初の自動マルチチャンネルパッチクランプシステム「PatchXpress 7000A」を発表しました。この飛躍的な進歩により、パッチクランプは、1 細胞ずつ手間のかかる手法から、イオンチャネル薬理学の実用的なスクリーニングツールへと変貌を遂げました。

一方、別の分野でも革命が巻き起こっていました。2004 年、Karl Deisseroth、Ed Boyden、Zhuo-Hua Panは、光によってイオンチャネルを制御できる光遺伝学を開発しました。

電気生理学者は、光と電気生理学を融合させることで、これまで想像もできなかった時間的・空間的な精度で神経活動を操作し記録できるようになりました。

現在の状況

パッチクランプは、細胞神経科学、心臓生理学、イオンチャネル研究において最も強力なツールの一つとして依然として位置付けられています。この技術は、手動で操作するピペットから自動化されたマルチウェルシステムへと飛躍的に進化してきましたが、その基盤は過去の世代の細やかな作業に根ざしています。

次回では、今日の最先端の神経科学や医薬品開発などで、科学者がパッチクランプ電気生理学をどのように活用しているかを紹介し、AI、光遺伝学、ハイスループット生物学の時代においてこの分野がどのように進化していくかについて考察します。

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参考文献

1. Verkhratsky, A., Krishtal, O. A., & Petersen, O. H. From Galvani to patch clamp: the development of electrophysiology. Pflugers Arch. 453, 233–247 (2006).
2. Seyfarth, E.-A. Julius Bernstein (1839–1917): pioneer neurobiologist and biophysicist. Biol. Cybern. 94, 2–8 (2005).
3. Pearce, J. Emil Heinrich Du Bois-Reymond (1818–96). J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 71, 620 (2001).
4. Verkhratsky, A., & Parpura, V. History of electrophysiology and the patch clamp. Methods Mol. Biol. 1183, 1–19 (2014).