細(xì)胞阻抗說明
在細(xì)胞生物化學(xué)測(cè)定和全身生物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)之間定位，基于細(xì)胞的測(cè)定是基礎(chǔ)和應(yīng)用生物學(xué)研究不可缺少的工具。然而，許多基于細(xì)胞的測(cè)定法的作用通過以下方式被減少：（1）需要使用標(biāo)記；（2）與連續(xù)監(jiān)測(cè)不相容（即僅產(chǎn)生終點(diǎn)數(shù)據(jù)）；（3）與正交試驗(yàn)不相容；（ 4）無(wú)法提供客觀/定量的讀數(shù)。然而，這些缺點(diǎn)都是通過非侵入性的，無(wú)標(biāo)記的和實(shí)時(shí)的細(xì)胞阻抗測(cè)定來(lái)克服的。 細(xì)胞阻抗測(cè)定的功能單元是融合到微量滴定板孔的底部表面的一組金微電極（圖1）。當(dāng)浸沒在導(dǎo)電溶液（如緩沖液或標(biāo)準(zhǔn)組織培養(yǎng)基）中時(shí)，在這些電極上施加電位會(huì)使電子離開負(fù)極，通過本體溶液，然后沉積到正極端以完成電路。因?yàn)檫@種現(xiàn)象取決于電極與本體溶液相互作用，所以在電極 - 溶液界面處的粘附細(xì)胞的存在阻礙了電子流動(dòng)。該阻抗的大小取決于細(xì)胞的數(shù)量，細(xì)胞的大小和形狀以及細(xì)胞 - 基底附著質(zhì)量。重要的是，金微電極表面和施加的電位（22 mV）都不影響細(xì)胞的健康或行為。
圖1.細(xì)胞阻抗裝置概述在單元格添加之前和之后顯示單個(gè)孔的側(cè)視圖。電極和電池都不被拉伸（為了清晰起見，它們被放大）。在不存在電池的情況下，電流自由流動(dòng)通過培養(yǎng)基，完成電極之間的電路。由于細(xì)胞在電極上粘附并增殖，電流流動(dòng)受阻，提供了細(xì)胞數(shù)量，細(xì)胞大小/形態(tài)以及細(xì)胞 - 基質(zhì)附著質(zhì)量的非常靈敏的讀數(shù)。
阻抗電極
ACEA的實(shí)時(shí)微電子檢測(cè)板—E-Plate板每孔中的金微電極生物傳感器覆蓋70-80％的表面積（取決于是否存在視野區(qū)域）。而不是圖1所示的簡(jiǎn)化的電極對(duì)，每個(gè)孔中的電極被連接成形成交錯(cuò)陣列的“線”（圖2）。這種布置可以同時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞群體，從而提供精確的靈敏度：附著于板的細(xì)胞數(shù)，細(xì)胞的大小/形態(tài)以及細(xì)胞 - 基質(zhì)附著質(zhì)量。
圖2. ACEA實(shí)時(shí)微電子檢測(cè)板— E-Plate板上的阻抗電極。 （A）實(shí)時(shí)微電子檢測(cè)板的每個(gè)孔中使用的叉指電極的簡(jiǎn)化示意圖。電極沒有按比例繪制（僅顯示一些電極，為了清晰起見，它們已被放大）。雖然細(xì)胞也可以在金電極表面上可視化，但在中間的無(wú)電極區(qū)域有助于顯微成像（亮場(chǎng)，熒光等）。（B）16孔E-Plate板中單井的照片。（C）放大陰影電極和未染色人體細(xì)胞的明場(chǎng)圖像。（D）復(fù)合顯微鏡中觀察到的金電極和結(jié)晶紫染色的人細(xì)胞。
實(shí)時(shí)阻力跟蹤說明
使用稱為細(xì)胞指數(shù)（CI）的無(wú)單位參數(shù)報(bào)告了由貼壁細(xì)胞引起的電子流的阻抗，其中CI=(時(shí)間點(diǎn)n阻抗-不存在細(xì)胞時(shí)阻抗）/標(biāo)稱阻抗值。圖3提供了在建立和運(yùn)行凋亡實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)阻抗曲線的通用示例。在細(xì)胞添加到孔中的頭幾個(gè)小時(shí)之后，阻抗快速增加。這是由于懸浮液中的細(xì)胞脫落，沉積在電極上并形成局部粘連。如果添加的細(xì)胞的初始數(shù)量低，并且在井底上存在空的空間，則細(xì)胞將增殖，導(dǎo)致CI逐漸但穩(wěn)定增加。當(dāng)細(xì)胞達(dá)到匯合CI值時(shí)，反映了大容量介質(zhì)可接近的電極表面積不再改變的事實(shí)。此時(shí)加入細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)劑導(dǎo)致CI降低至零。雖然這個(gè)通用實(shí)例涉及細(xì)胞融合時(shí)的藥物添加，基于阻抗的測(cè)定是非常靈活的，并且還可以評(píng)估初始細(xì)胞粘附到電極的速率和程度，或細(xì)胞增殖的速率和程度。
圖3.用于建立和運(yùn)行凋亡測(cè)定的通用實(shí)時(shí)阻抗曲線。 在文中解釋了阻抗曲線的每個(gè)階段及其產(chǎn)生的蜂窩行為。
上述通用示例，圖4顯示了使用ACEA的xCELLigence實(shí)時(shí)單元分析（RTCA）儀器中的E-Plate板中采集的實(shí)際實(shí)時(shí)阻抗數(shù)據(jù)。 圖4A顯示將A549細(xì)胞添加到E-Plate板后的頭兩個(gè)小時(shí)的阻抗曲線，其中孔預(yù)先用不同濃度的膠原IV包被。 雖然圖4B顯示了在將HeLa細(xì)胞暴露于GPCR激動(dòng)劑多巴胺的最初幾分鐘內(nèi)發(fā)生的細(xì)胞指數(shù)的變化，圖4C評(píng)估了在20小時(shí)內(nèi)NK細(xì)胞介導(dǎo)的癌細(xì)胞的細(xì)胞溶解。 圖4D突出顯示根據(jù)藥物的作用機(jī)制可能在細(xì)胞指數(shù)中發(fā)生的變化。
圖4.使用E-Plate和xCELLigence RTCA儀器獲得的實(shí)時(shí)阻抗曲線的示例。 （A）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已經(jīng)預(yù)先涂覆不同濃度膠原IV的E-Plate孔的A549細(xì)胞粘附。請(qǐng)注意阻抗值（細(xì)胞指數(shù)）與顯微鏡中可見的貼壁細(xì)胞數(shù)之間的相關(guān)性。 （B）暴露于不同濃度GPCR激動(dòng)劑多巴胺的HeLa細(xì)胞的實(shí)時(shí)阻抗曲線。黑色箭頭表示多巴胺加入的時(shí)間。 （C）用于NK細(xì)胞介導(dǎo)的MCF7乳腺癌細(xì)胞溶解的實(shí)時(shí)阻抗曲線。 （D）暴露于藥物的A549細(xì)胞的實(shí)時(shí)阻抗曲線顯示各種作用機(jī)制。
與細(xì)胞相關(guān)的抵抗力
RTCA提供細(xì)胞數(shù)量，增殖率，細(xì)胞大小/形狀和細(xì)胞 - 底物附著質(zhì)量的定量讀數(shù)。由于這些物理性質(zhì)是數(shù)千種不同基因/蛋白質(zhì)的產(chǎn)物，因此RTCA可以為細(xì)胞健康和行為提供非常廣泛的視野。在xCELLigence儀器上已經(jīng)成功地分析了從內(nèi)皮屏障功能和趨化性到絲狀偽足動(dòng)力學(xué)和免疫細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞溶解的一切。盡管它們的廣泛性，xCELLigence測(cè)定仍然能夠詢問非常具體的生化和細(xì)胞現(xiàn)象。適當(dāng)使用對(duì)照和/或正交技術(shù)使得可以將阻抗跡線的特征與特定的細(xì)胞/分子現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)。要了解如何做到這一點(diǎn)，并且看到xCELLigence RTCA技術(shù)的敏感性和多功能性，請(qǐng)仔細(xì)閱讀這里突出顯示的許多具體應(yīng)用。
軟件
預(yù)定義的協(xié)議指導(dǎo)您在幾秒鐘內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)設(shè)置和分析
圖1.Layout：定義E-Plate板中樣本的排布布局（例如：細(xì)胞類型、細(xì)胞數(shù)目、化合物名稱、化合物濃度）。
對(duì)于xCELLigence RTCA DP、DPlus、TP、SP和MP儀器實(shí)驗(yàn)進(jìn)行編程和執(zhí)行，并使用RTCA 2.1軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該軟件可實(shí)現(xiàn)輕松的實(shí)驗(yàn)設(shè)置和執(zhí)行以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析，同時(shí)仍然保持高效和直觀。軟件如何運(yùn)行和分析實(shí)驗(yàn)的一般概要如下所示。
步驟1：記錄E-Plate板布局
使用直觀的圖形界面，記錄實(shí)時(shí)微電子檢測(cè)板（E-Plate?板）中每個(gè)孔的阻抗值（圖1）。孔的信息領(lǐng)域包括細(xì)胞類型，細(xì)胞數(shù)量，藥物特性，藥物濃度等參數(shù)。表格自動(dòng)填充功能類似于Excel或其他電子表格程序中可用的功能，可以快速輸入數(shù)據(jù)并自動(dòng)建立藥物濃度梯度，細(xì)胞數(shù)梯度等。即使正在檢查多種細(xì)胞類型和測(cè)定條件，記錄板的所有孔的信息只需幾分鐘。
步驟2：定義數(shù)據(jù)采集參數(shù)
使用第二個(gè)表定義數(shù)據(jù)采集的細(xì)節(jié)。這些包括阻抗記錄的頻率和實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。
步驟3：運(yùn)行實(shí)驗(yàn)
按“Run”并觀察，因?yàn)榘逯械拿總€(gè)孔都會(huì)實(shí)時(shí)獲取阻抗數(shù)據(jù)。即使正在獲取數(shù)據(jù)，也可以查看，圖形化操作，分析和導(dǎo)出。
步驟4：數(shù)據(jù)繪圖和分析
使用直觀的圖形界面，可以繪制來(lái)自E-Plate的所有孔或單個(gè)孔的實(shí)時(shí)阻抗數(shù)據(jù)（圖2A）。可以對(duì)來(lái)自多個(gè)孔的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，并自動(dòng)計(jì)算和繪制變異系數(shù)。可以容易地調(diào)整x軸和y軸的觀察窗口，并且可以將數(shù)據(jù)軌跡歸一化到特定的時(shí)間點(diǎn)（例如在藥物添加之前）。最后，曲線擬合功能可以計(jì)算變化率，EC50值等（圖2B）。
圖2.使用RTCA 2.1軟件的數(shù)據(jù)繪圖和分析。 （A）數(shù)據(jù)繪圖/分析窗口的屏幕截圖。這里所有的曲線已經(jīng)被歸一化到藥物治療之前的時(shí)間點(diǎn)（用粗體后行垂直線表示）。誤差條表示變異系數(shù)。 （B）劑量反應(yīng)曲線。將細(xì)胞指數(shù)值（在藥物治療后的特定時(shí)間）作為藥物濃度的函數(shù)，可以確定EC50值和IC50值。這些類型的計(jì)算可以使用內(nèi)置的數(shù)據(jù)分析功能輕松執(zhí)行。
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