Оценка электрического проникновения клеточных мембран с использованием четырех

Микросистемы и наноинженерия, том 8, Номер статьи: 68 (2022) Цитировать эту статью

1564 Доступа

4 цитаты

80 Альтметрика

Подробности о метриках

Электрическое проникновение через клеточную мембрану имеет жизненно важное значение для определения внутреннего содержимого клетки с помощью импедансной цитометрии. Здесь мы предлагаем метод определения проводимости клеточной мембраны по уровням наклона импульсов импеданса. При электрическом проникновении ток высокой частоты свободно проходит через клеточную мембрану; таким образом, внутриклеточное распределение может непосредственно воздействовать на высокочастотные импульсы импеданса. Численное моделирование показывает, что неравномерное распределение внутриклеточных компонентов может влиять на уровни наклона импульсов импеданса, и уровни наклона начинают увеличиваться, когда через клеточную мембрану происходит электрическое проникновение. Экспериментальные данные показывают, что более высокие частоты обнаружения (>7 МГц) приводят к более широкому распределению уровней наклона импульсов импеданса при измерении популяций клеток с помощью четырехчастотной импедансной цитометрии. Это открытие позволяет нам определить, что частота обнаружения 7 МГц способна проходить через мембрану клеток Euglena gracilis (E. gracilis). Кроме того, мы обеспечиваем возможное применение четырехчастотной импедансной цитометрии для мониторинга биомассы одиночных клеток E. gracilis. Высокочастотный импеданс (≥7 МГц) можно применять для мониторинга этих изменений биомассы, а низкочастотный импеданс (<7 МГц) можно применять для отслеживания соответствующих изменений биообъема. В целом, эта работа демонстрирует простой метод определения электрического проникновения клеточной мембраны, а предлагаемая платформа применима для многопараметрической оценки состояния клеток во время культивирования.

Оценка биомассы одиночных клеток играет жизненно важную роль во многих областях, включая анализ состояния клеток1 и механизма роста клеток2, а также экологических и энергетических проблем3,4. На сегодняшний день несколько методов, включая визуализацию живых клеток5, проточную рамановскую цитометрию6 и химические зонды7, успешно применяются для высокопроизводительной оценки внутриклеточной биомассы в одиночных клетках. Однако большинство этих оптических подходов отнимают много времени и труда, а жесткие требования к обслуживанию и калибровке точек фокусировки луча ограничивают их надежность и портативность. В данной работе мы предложили более эффективный и удобный метод характеристики биомассы по величине высокочастотных импедансных сигналов.

В качестве альтернативы было продемонстрировано, что импедансная цитометрия применима для характеристики одиночных клеток без использования меток и экономически эффективным способом8. На сегодняшний день импедансная цитометрия успешно применяется для анализа морфологии9, жесткости10 и состояний11 одиночных клеток. Было показано, что величина и морфология импульсов импеданса зависят от объема12 и формы13 отдельных клеток соответственно. Кроме того, исследования показали, что высокочастотное обнаружение импеданса применимо для характеристики свойств мембран14,15. Например, проводимость клеточной мембраны увеличивается с увеличением частоты обнаружения выше 1 МГц14, а проводимость мембраны связана с жизнеспособностью клеток. Суй и др.16 и Чжун и др.17 показали, что частоты обнаружения 5–8 МГц достаточно, чтобы позволить току проходить через мембраны живых клеток млекопитающих. Этот вывод сделан на основании различий в проводимости мембран инактивированных и живых клеток. Без сравнительного анализа инактивированных клеток имеется мало сообщений о применимых методах прямого определения того, является ли мембрана проводящей.

При измерении внутриклеточной биомассы методом импедансной цитометрии необходимо определить частоту обнаружения, способную проникнуть через клеточную мембрану. Наше решение состоит в том, чтобы количественно оценить уровень наклона импульсов импеданса как индекс наклона13, а затем оценить проводимость клеточной мембраны с помощью индекса наклона клеточной популяции на разных частотах обнаружения. На основании нашей предыдущей работы было обнаружено, что распределение внутриклеточных компонентов влияет на уровень наклона высокочастотных импульсов импеданса (6 МГц)18,19, поскольку высокочастотный ток может распространяться внутри отдельных клеток между непроводящими внутриклеточными компонентами. Напротив, ток низкой частоты (500 кГц) не может проникнуть через клеточную мембрану и в основном распространяется вокруг клетки18,19. Эта особенность облегчает новый метод определения частоты обнаружения внутри и снаружи ячейки на основе индекса наклона импульсов импеданса. Внутренности клеток более гетерогенны, чем их морфология в популяции. Когда частота обнаружения достаточно высока, чтобы проникнуть через клеточную мембрану, индекс наклона импульсов импеданса для популяции клеток будет более разнообразным. Насколько нам известно, это первый случай, когда уровень наклона импульсов импеданса использовался для определения частоты обнаружения внутренней части ячейки.