利用阶跃激励和时间域分析技术对上皮细胞单层进行亚秒级细胞外阻抗测量

《Scientific Reports》：Sub-second extracellular impedance measurement of epithelial cell monolayers using step excitations and time-domain analysis

　　

摘要

电化学阻抗谱（EIS）是上皮生物学中一种多功能的技术，通过测量跨上皮电阻（TER/TEER）、电容（TEC）和膜比率（$\alpha$），能够无创地定量分析屏障完整性、细胞形态以及顶侧-基底侧的极性。然而，由于需要覆盖较宽的频率范围，每次测量通常需要数十秒，这限制了其在研究快速生物现象中的应用。我们提出了时域上皮阻抗测量（TEIM）方法，该方法结合阶跃电流激励和时域电压瞬变分析，无需进行傅里叶变换，即可实现上皮单层的亚秒级外细胞阻抗测量。实验表明，TEIM能够每约0.3秒测量一次TER/TEER、TEC和膜比率（$\alpha$），其时间分辨率比EIS提高了约100倍。我们使用电路模型以及人支气管（16HBE）和结肠直肠（Caco-2）上皮细胞系对TEIM的准确性和精度进行了验证，结果显示TER、TEC和膜比率的平均误差分别为0.17-3.55%、1.13-8.96%和0.59-26.35%。将TEIM应用于监测Caco-2细胞对皂苷的反应时，首次发现了由双指数过程控制的TER和TEC动态变化，这些变化的速度过快，无法被EIS有效捕捉。总体而言，TEIM为研究快速的细胞电生理活动提供了有力的工具，并为生物学和药理学研究中的动态分析提供了高分辨率的替代方法。