電子細胞基質阻抗判斷（Electric Cell-substrate Impedance Sensing，ECIS）是一種利用電流變化來偵測受培養之細胞的狀態，可以用來作為癌細胞生長、轉移、傷口癒合等現象的研究，或是用來測試細胞訊號傳遞。另外還可觀察細胞遷移的詳細情形。是非侵入式生檢測體外動物細胞物物理方法。
基本介紹
- 中文名：電子細胞基質阻抗判斷
- 外文名：ECIS
原理,
電子細胞基質阻抗判斷(ECIS)技術具有納米敏感性、準確的電創傷再生和在無創情況下進行實時監測的高再現性等優點，其出現為晚期細胞行為研究提供了新見解。然而，我們對使用內皮細胞和ECIS技術對創傷癒合研究中的促血管生成因子卻知之甚少。以往的研究表明黃氏和地黃兩草藥的配方療法（NF3）在大白鼠慢性創傷模型中可通過一些作用如血管生成對創傷癒合具有顯著效果。近日，一項發表在《創傷修復和再生》（WoundRepairandRegeneration）上的研究中，研究者使用ECIS技術，通過人類血管內皮細胞（HECV）的增殖、運動和小管形成情況來對該療法的血管生成作用和潛在分子學機制進行了研究。
原理
將小的片狀金膜電極放在細胞培養皿的底上，讓細胞在電極表面生長，測量細胞的AC阻抗。因為細胞膜的特性使得細胞在電性質上接近絕緣體，所以阻抗會隨著電極上細胞的覆蓋面積的增加而增大，進而可以測量得到細胞的數據。對於平鋪的細胞覆蓋膜阻抗主要由細胞的三維形狀決定。所以當細胞的形狀改變的時候，電流的通路會因之而改變。所以，通過在聯繫時間裡對阻抗進行測量，細胞形態的變化就可以被實時監控並可以用於生物分析。
而因為細胞的形態在很大程度上受到代謝的影響，同時也會被化學物理等刺激因素影響，所以ECIS可以用做很多細胞生物學研究的工具。甚至於在細胞毒性實驗以及藥物實驗中可以做感測器。
發展歷程
體外培養細胞所具有的黏附性, 使得貼壁生長在金屬微電極上的細胞數量以及形態改變, 都會引起貼壁電極界面阻抗的改變。根據這一特性, Giaever 與Keese 等人首先採用基於微機械加工技術的微電極陣列(micro-elect rode ar ray , MEA), 設計了能實時、連續、定量跟蹤哺乳動物細胞形態和增殖分化改變的細胞阻抗測試感測器(elect ric cell-subst rate impedance sensing ,ECIS), 用於細胞與電極間的阻抗測試研究。ECIS 能同時測量多組細胞的電阻變化、膜電容變化, 以及培養細胞與基底膜之間相互關係變化等多種體外培養特性。通過阻抗譜的測量,ECIS 可以實時無損的研究細胞的形態改變, 胞外基質與細胞增殖的關係, 並可用於測量貼壁細胞的遷移等研究。相對於普通光學顯微鏡和螢光標記觀察等傳統方法而言, 細胞感測器的阻抗測試使得細胞形態研究更為直觀和方便, 並容易獲得實時定量的測試結果。在1991 年Giaeve r 和Keese 致力於開發基於ECIS 的細胞動態分析儀, 可為細胞阻抗測試提供晶片和整套系統, 大大簡化了細胞動態行為的研究, 擴大了其研究範圍。因此, 該系統已被成功的用於檢測細胞的黏附、延展、增殖、凋亡等生理病理變化過程, 以及細胞對藥物回響的藥理與毒理研究等多個領域。
Giaever 和Keese 等人的最早研究結果表明。 採用交流阻抗方法使得金屬微電極表面通過微安級的電流時, 如圖1(a)所示, 原來可以直接流經電極表面的電極電流, 由於被培養生長在其表面的細胞所覆蓋, 而最終只能從細胞側面通過電阻間隙區域流過。同時採用微電極陣列, 也就更可以同時測得多組不同細胞與基底間隙阻抗的改變結果。目前比較公認的用電極陣列進行細胞培養前後阻抗分析的模型之一, 是分塊單元模型(lump- element model)[ 6-7] 。該模型認為, 溶液環境下(圖1(b), 未培養細胞之前)的電極阻抗主要包括電極表面的擴散阻抗Zw 和溶液電阻R s 兩個部分。培養細胞在電極表面黏附之後(圖1(c), 培養細胞之後), 細胞膜一般主要有15 % ～ 20 %表面與電極表面直接黏附接觸, 其餘部分則與其相距50 nm ～ 150 nm , 形成溝道電阻R gap 。因為由磷脂雙分子層膜構成的細胞膜具有高度絕緣性, 所以由細胞覆蓋部分流經的電流Acell 就必須從細胞間隙的溝道電阻部分經過, 最終使得Rgap與有細胞部分的阻抗並聯, 並與無細胞覆蓋部分的阻抗串聯。因此實際測得的阻抗值, 主要分為Z(ω)/(A -Acell)和Z(ω)/ Acell 兩部分, 並同時與溶液中的溶液電阻串聯。由此, 整個系統的阻抗輸出便與不同細胞的種類, 細胞的電極黏附率和細胞與電極間的間距等因素相關, 這也就構成了細胞與電極之間阻抗的感測測量原理。
