Die Patch-Clamp-Elektrophysiologie ist die Goldstandard-Technik zur Untersuchung der Ionenkanalfunktion. Sie misst den elektrischen Strom, der durch Ionenkanäle in Zellmembranen fließt, mit Pikoampere-Empfindlichkeit und Millisekunden-Zeitauflösung. Die Technik wurde von Neher und Sakmann entwickelt, die dafür 1991 den Nobelpreis erhielten.

Die Patch-Clamp-Technik verwendet eine Glasmikropipette mit einem Spitzendurchmesser von etwa 1 µm, gefüllt mit Elektrolytlösung und einer Silber-Silberchlorid-Elektrode. Die Pipette wird gegen die Zellmembran gedrückt, und sanfter Unterdruck bildet eine Gigohm-Dichtung zwischen Glas und Membran. Diese hochohmige Dichtung reduziert elektrisches Rauschen und ermöglicht die Messung von Pikoampere-Strömen.

Die Zell-attachierte Konfiguration zeichnet Ströme von Kanälen im intakten Membranfleck auf, während das Zellinnere ungestört bleibt. Der Inside-Out-Patch wird durch Zurückziehen der Pipette von der Zelle gebildet, wodurch die intrazelluläre Membranoberfläche der Badlösung ausgesetzt wird. Diese Konfiguration ermöglicht die Kontrolle der intrazellulären Umgebung. Der Outside-Out-Patch wird durch Aufbrechen der Dichtung und anschließendes Zurückziehen der Pipette gebildet, wobei sich die Membran so neu formt, dass die extrazelluläre Oberfläche der Badlösung zugewandt ist. Diese Konfiguration wird zur Untersuchung der Kanalpharmakologie verwendet.

Die Ganzzell-Patch-Clamp bricht den Membranfleck durch Anlegen von Unterdruck oder Spannungsimpulsen auf und ermöglicht den elektrischen Zugang zum Zellinneren. Die Pipettenlösung dialysiert das Zytoplasma und ermöglicht die Kontrolle der intrazellulären Ionen-Zusammensetzung. Perforierte-Patch-Varianten verwenden Antibiotika wie Amphotericin B, um den elektrischen Zugang ohne zytoplasmatische Dialyse aufrechtzuerhalten.

Der Spannungsklemmen-Modus hält das Membranpotential auf einem vorgegebenen Wert und misst den Strom, der erforderlich ist, um dieses Potential aufrechtzuerhalten. Strom-Spannungs-Beziehungen zeigen die Spannungsabhängigkeit der Kanalaktivierung und Gleichrichtung. Der Stromklemmen-Modus injiziert Strom und misst die resultierenden Membranpotentialänderungen, wobei Aktionspotentiale und synaptische Potentiale aufgezeichnet werden, die an der Zellsignalübertragung beteiligt sind.

Die Datenanalyse umfasst die Bestimmung der Einzelkanal-Leitfähigkeit, der Öffnungswahrscheinlichkeit, der mittleren Öffnungs- und Schließzeiten sowie der Effekte von Modulatoren. Arzneimittel werden mit schnellen Lösungswechsel-Systemen appliziert. Die Temperaturkontrolle erhält physiologische Bedingungen aufrecht.

Automatisierte Patch-Clamp-Systeme mit planaren Elektrodenchips ermöglichen das Screening von Ionenkanal-Medikamenten mit mittlerem Durchsatz. Diese Systeme werden in der pharmazeutischen Entwicklung zur Sicherheitspharmakologie-Bewertung der hERG-Kanal-Liability und zur Entdeckung neuartiger Kanamodulatoren eingesetzt.