纳秒级膜电位动力学的光学解析：验证脉冲电场中细胞膜对称充电机制

本文通过对比FluoVolt和Di-8-ANEPPS两种电位敏感染料，在CHO细胞中验证了1微秒脉冲电场（PEF）诱导的膜电位（MP）动力学对称性。研究证实充电/弛豫时间常数（τ）符合理论预测（细胞半径r、膜电容Cm=1.6 μF/cm2、胞内电导率σi=0.4 S/m），未发现既往报道的阴阳极充电不对称现象，为纳秒PEF生物效应机制研究提供了关键技术支撑。

　　

亮点

本研究采用脉冲激光频闪成像技术，以纳秒级时间分辨率解析了球形CHO细胞在1微秒脉冲电场（PEF）中的膜电位（MP）动力学。两种电位敏感染料（FluoVolt和Di-8-ANEPPS）均显示出与电场强度及入射角相关的对称性荧光响应，充电/弛豫时间常数（τ）与理论模型高度吻合，为纳秒PEF生物效应研究提供了可靠实验依据。

方法

细胞系与培养基

CHO-K1细胞购自美国典型培养物保藏中心（ATCC），于含10%胎牛血清的Ham's F12K培养基中培养（37°C、5% CO₂）。实验采用球形细胞集群，以0.25%胰蛋白酶-EDTA消化后重悬于低电导率缓冲液（2.2 mS/cm）。

频闪成像显示的膜充电模式

所有测试细胞（n>30）的膜充电均符合公式(1)的理论预测。图2A展示FluoVolt染色的典型细胞，图2B呈现150 V/cm PEF作用下荧光信号（即光学MP）的时空变化：阴极侧去极化与阳极侧超极化同步增强，最大ΔV_m出现于电极相对极，且随脉冲时间呈指数增长（图2C）。两种染料在阴阳极的响应幅度无显著差异（p>0.05），但FluoVolt在<200 V/cm时灵敏度更高，而Di-8-ANEPPS在≥350 V/cm仍保持线性响应。

充电与弛豫动力学

通过指数拟合获取时间常数τ，结果显示：

• •
  充电与弛豫过程的τ无统计学差异（p>0.05）
• •
  阴阳极区域的τ一致性高（变异系数<5%）
• •
  实测τ与理论值（基于r=7.5 μm、C_m=1.6 μF/cm²、σ_i=0.4 S/m计算）偏差<10%
  图3A-B展示典型细胞的归一化动力学曲线，图3C验证τ与细胞半径的线性关系（R²>0.95）。

讨论

本研究首次系统比较两种不同传感机制染料（光诱导电子转移vs.电致变色）在纳秒PEF下的性能。实验结果支持经典Schwan方程对球形细胞充电动力学的预测，否定了既往研究中的充电不对称性报道。FluoVolt适用于低噪声检测，而Di-8-ANEPPS更适合高强度电场动态测量，二者互补为纳米秒级膜电位研究提供工具箱。

作者贡献声明

Iurii Semenov：综述撰写/可视化/方法学/数据分析；Giedre Silkuniene：数据分析/校订；Mantas Silkunas等参与实验与文稿修订；Andrei G. Pakhomov：基金获取/监督。

利益冲突声明

作者声明无相关竞争性利益。

致谢

研究受美国国立卫生研究院（NIH）脑计划项目R21EY034803/R21EY034258及Pam and Rich Nuccitelli基金会资助。