本方案综述了电细胞基底阻抗传感技术，该方法用于记录和分析贴壁细胞的阻抗谱，以定量检测细胞黏附、增殖、运动性以及细胞对药理和毒性刺激的反应。重点强调内皮细胞通透性的检测以及细胞间和细胞-基底相互作用的评估。
本文内容
摘要
摘要
电阻抗细胞传感器（Electric Cell-substrate Impedance Sensing, ECIS）是一种体外（in vitro）阻抗测量系统，用于定量分析贴壁细胞层中细胞的行为。该技术通过将细胞培养在特殊培养腔室中，使其生长于相对的圆形金电极表面。在电极之间施加恒定的小幅交流电流，并测量其跨电极电势。由于细胞膜具有绝缘特性，会阻碍电流通过，从而导致电极间的电势升高。通过此种方式测量细胞阻抗，可实现对细胞黏附、生长、形态、功能及运动性的自动化研究。尽管ECIS测量操作简便且易于掌握，但其背后的理论较为复杂，正确选择实验参数、合理分析并准确解读数据并非显而易见。目前尚缺乏一份清晰描述从实验设计、准备、实施到数据分析全过程的详细操作规程。本文综述了ECIS系统的基本测量原理、可能的应用场景、实验设计中的注意事项，以及其优势与局限性。同时提供了针对细胞黏附、铺展与增殖研究的操作指南；对融合细胞层中细胞行为的定量分析方法，包括屏障功能、细胞运动性、细胞间及细胞-基质黏附质量的评估；以及对伤口愈合过程和细胞对血管活性刺激反应的定量分析方法。代表性结果基于人微血管内皮细胞（MVEC）和人脐静脉内皮细胞（HUVEC）展开讨论，但其原理适用于所有贴壁生长的细胞类型。
引言
ΩΩΩ本文介绍了电阻抗细胞传感器技术（Electric Cell-substrate Impedance Sensing，简称ECIS），这是一种用于测量和分析培养条件下贴壁细胞阻抗谱的特定方法1。本实验方案旨在为这类基于阻抗的细胞检测技术提供一个通用的操作指南，并针对其日益扩展的应用领域中的若干关键功能提供具体操作流程。重点将集中在细胞增殖、屏障功能、细胞连接以及细胞迁移的研究上。
自Giaever和Keese于1991年向科学界以当前形式引入ECIS及其将阻抗谱数据转化为生物学相关参数的关联模型以来2，该系统常被称为用于测量跨上皮电阻（TEER, trans-epithelial electrical resistance）的系统，但这种说法并不准确。这些差异起初看似微小，但对数据解释至关重要。在传统的TEER测量中，细胞生长在可渗透的滤膜上，以表征主要由上皮紧密连接或内皮粘附连接主导的旁细胞转运机制3。通常使用位于滤膜上下两侧的两个电极向细胞层施加直流电流（DC），并用另外两个电极测量由此产生的电压降4。通过欧姆定律计算出电阻力，从而对细胞屏障的质量进行数值化描述。
ECIS 遵循这一基本原理并加以扩展。在 ECIS 系统中，细胞生长在特殊细胞培养皿底部嵌入的相对圆形金电极上。每个培养孔中的电极数量可根据应用需求变化，电极的标准直径为 250 µm；在某些情况下，会使用较大的对电极以完成电路。ECIS 采用恒定的 1 µA 交流电（AC）而非直流电，频率固定。阻抗值通过电极间相应电压变化（单位为 mV）计算得出。ECIS 可在一系列频率范围内测量阻抗，以研究频率依赖性的细胞特性，这相较于跨上皮电阻（TEER）具有多项优势，本文将对此进行详细说明。首先，测量复数阻抗可将总阻抗分解为细胞屏障电阻和细胞电容。此外，通过在多个频率下采集数据并应用数学模型，可进一步区分细胞间连接阻抗（细胞间接触的紧密程度）和细胞-基质相互作用引起的阻抗（细胞基底膜与下方基质之间的距离），以及细胞膜电容的贡献。其次，由于细胞直接与电极接触，因此可评估细胞增殖和迁移能力。第三，基质和电极足够薄，可支持明场和相差显微镜观察。
阻抗测量基础：复阻抗
测量生物物体（例如细胞）电学阻抗的基础是欧姆定律，这是一条基本的电学原理，用于描述在给定时间（t）下，电路中电阻（R）、电流（I）和电压（U）之间的关系。
直流电路中的表达式：R(t) = U(t)/I(t)
在交流系统中工作时，电流和电压不仅在幅值上存在差异，而且在相位（φ）上也不同。此时，仅用电阻已不足以描述这些关系。取而代之的是使用复数阻抗（Z），或在大多数情况下使用阻抗的幅值（|Z|），其包含前述的欧姆电阻以及电抗（X）。电抗由交流电流通过电容器和电感器时产生，导致电压与电流之间的相位偏移5。
交流电路中的应用：|Z(f)| = √(R2+X(f)2)
φ = arctan(X/R)
在对完整细胞进行阻抗测量时，由于细胞膜的特性，细胞表现为电阻与电容的并联连接。其中，电阻代表对电流流动的阻碍，而电容（C）则描述了细胞膜绝缘双分子层上电荷载体的分离，这种分离导致细胞发生极化。因此，电抗（X）主要由细胞膜的电容特性决定。
X(f) ≈ (2*Pi*f*CCell)-1
由于电抗X具有频率依赖性，通过改变测量频率可以研究细胞的不同功能和结构特性。ECIS设备可同时测量电阻R和电抗X，从而能够计算阻抗绝对值|Z|、电容C和相位角φ。
利用阻抗谱定量分析整个细胞层：电等效电路。
如前所述，当细胞被置于电场中时，会表现出被动电子元件的特性。然而，若研究对象不是单个细胞，而是生长在电极表面并添加了细胞培养基的完整细胞层，则需要将简单的电阻-电容模型扩展为一个完整的电路网络。在这种所谓的等效电路中，必须考虑培养基的电阻（RMed），以及表征电极/电解质界面相互作用的电容（CElectr）和电阻（RElectr）3,6。
一种用于贴壁生长细胞层的简化通用等效电路示例如下所示 图1此类数学方法在描述生物系统时的优势在于，这些电路可以被不断优化 随意摄取 并根据具体的实验问题进行调整， 例如 通过考虑细胞内细胞器引起的阻抗，或区分细胞间（RJunc）以及细胞-基质黏附（RSub对总阻抗的影响7,8然而，建模的目标始终应是使用最少数量的元件来描述测得的阻抗谱的所有特征，以实现有意义的相关性分析。
图1. ECIS系统的示意图及贴壁生长细胞层的代表性等效电路。 A) ECIS培养小室的横截面示意图。细胞生长在感应电极和对电极的表面，并被培养基覆盖。电极连接至锁相放大器，并通过一个1 MΩ电阻施加交流信号，以形成恒流源。可在任意时间点将刺激物直接加入培养基中。 B) ECIS 测量所有个体对阻抗的总贡献。培养基的电阻（R医学）以及电极/电解质界面引起的阻抗，为简化起见，该阻抗表示为一个电阻（R电泳）和一个电容器（C电泳），以及由电阻（R）并联连接描述的细胞膜电学特性细胞）和电容（C记忆），所有这些因素都需要考虑。细胞 具有可变性，因为它取决于细胞对电流的通透性。等效电路可以进一步扩展和优化 随意摄取。例如，连接处（RJunc）以及内皮下（RSub) 抗性被添加到电路中。 请点击此处以查看此图的放大版本。
阻抗参数及其生物学意义
由阻抗测量直接获得的两个最直接参数是细胞的电阻和电容。电阻反映了细胞屏障的质量和功能，因此考虑了对旁细胞和跨细胞电流流动的阻力。电容则提供了电极表面覆盖程度的整体度量。ECIS 的显著特点是，借助等效电路和建模方法，这些全局参数能够进一步揭示多种细胞特性，包括细胞间和细胞-基质黏附，这些内容将在本文后续部分进行讨论。
开始前：实验注意事项
测量装置 - 该装置由多个独立组件组成：含测量电子元件的ECIS设备；用于数据采集的计算机；适用于8孔或96孔系统的阵列支架；ECIS阵列以及选定的细胞培养物。阵列支架必须放置在培养箱内，并与培养箱外的ECIS设备连接。计算机需安装ECIS软件（1.2.123.0，2013年2月14日版本），并与ECIS设备连接。
阵列选择 - ECIS 阵列的种类正在不断扩展，以满足多种应用需求。标准阵列包括 8W1E 和 8W10E 阵列，分别由 8 个培养孔（W 表示）组成，每个孔内含 1 个或 10 个测量电极（E 表示）。一个大型对电极构成完整电路，但在实际测量中其阻抗几乎可以忽略不计6。标准的 8 孔阵列支架可容纳两个阵列，共提供 16 个培养孔。金电极厚度为 50 nm，由绝缘膜界定，固定在光学透明的 Lexan 聚碳酸酯基底或印刷电路板（PCB）上。PCB 阵列更坚固且成本更低。透明载片允许进行光学显微镜和免疫荧光显微镜观察。需要注意的是，1E 阵列会增强由细胞运动引起的电阻信号波动，适用于伤口愈合研究。此外，单电极设计可实现电信号与光学信号的相关性分析。在多电极阵列中，信号在多个电极上取平均值，由于测量面积增大，可纳入更多细胞参与测量，减少因细胞接种和生长不均导致的数据偏差，并降低细胞运动引起的信号模糊。因此，多电极阵列适用于细胞增殖和屏障形成的研究。除标准阵列外，还有专用于施加剪切应力9、研究趋化性10、细胞迁移和增殖的特殊阵列，以及用于高通量筛选的 96 孔板。综上所述，所选阵列应根据具体科学问题和细胞类型慎重选择并进行测试。
测量频率 - 对 Rb 和 alpha 的建模（参见数据分析）需要多频测量（MFT）。否则，可在一种细胞类型特异性的频率下随时间测量阻抗（SFT），其优势在于能够以更高的时间分辨率采集数据。特定细胞类型的最敏感测量频率可通过频率扫描确定。当以对数-对数图形式绘制阻抗或电阻随频率变化的曲线时，细胞未覆盖电极与细胞覆盖电极之间差异最大的频率点，即为细胞对电流阻碍作用最强的频率。对于内皮细胞（EC），该频率约为 4 kHz。
接种密度 - 与所有常规的基于细胞的实验一样，接种密度取决于具体的科学问题。在研究细胞黏附与铺展或屏障形成时，内皮细胞应以较高的密度接种，为40,000–60,000 个细胞/cm2，以确保在48小时后形成融合且稳定的屏障。若实验重点在于细胞增殖，则内皮细胞应以较低的密度接种，约为2,000–10,000 个细胞/cm2。
方案
1. 测量系统的准备
- 实验开始前，将芯片架放入37 °C培养箱中预热，以防止冷凝水形成。
- 向培养箱的水槽中加入蒸馏水，避免孔板干燥。
- 所有细胞和芯片的操作均须在超净工作台内无菌条件下进行。
2. 芯片的制备与细胞接种
注意：为了防止电极漂移、提高孔间重复性和信噪比，在实验前需要对 ECIS 阵列进行清洗和稳定化处理。因此提供两种选择：A）使用 L-半胱氨酸对电极进行预处理；B）使用 ECIS 的稳定化功能。
选项 A：L-半胱氨酸推荐作为最稳定的预处理试剂，但在某些特殊情况下可能与电极上的蛋白质涂层发生相互作用。所列体积适用于标准的 8 孔阵列。
- 每孔加入 200 µl 10 mM L-半胱氨酸。半胱氨酸可清洁并修饰电极表面，从而获得高且可重复的电极电容。
- 室温（RT）孵育15分钟。
- 洗涤两次 500 µl/孔，加入超纯水（1型）。不要 使用磷酸盐缓冲液时需谨慎，因其可能干扰某些蛋白质的吸附。在包被前应避免使用含血清的溶液，因为金表面会优先吸附最先接触的生物大分子。
- 每孔加入 200 µl 预热的 1% 明胶溶液进行包被。
- 37 °C 下孵育 30 分钟。
- 移除明胶，但不要让表面变干。这可能会损坏电极。
- 洗涤一次 使用超纯水（1 级）。
- 每孔加入 400 µl 完全细胞培养基（含血清、抗生素及所有生长因子）。
- 将芯片阵列插入阵列支架中，并确保阵列位置正确，使九个金色方形焊盘与弹簧加载的探针针脚良好接触，然后用手拧紧固定调节螺丝。操作透明阵列时需小心，金层容易受损。
- 打开测量软件并按下 设置 随后 检查 在 "收集数据" 用于对每个单独的孔进行快速阻抗测量。所得数值将作为测量基线，并自动存储在 "评论".
- 井检查将自动确定所使用的 ECIS 阵列类型。请核实所选阵列 "孔板配置" 部分。
- 阵列示意图中，连接正确的孔位显示为绿色，未连接或连接错误的孔位显示为红色。但务必始终确认阵列已正确放置于支架中。
注意：如果清洗和包被成功，8W1E ECIS 阵列的电容约为 5 nF，8W10E 阵列的电容约为 50 nF，对应的基线电阻分别约为 2,000 和 200 Ω。 - 从支架上取下阵列。
- 以400 µl/孔的完全细胞培养基将种子细胞接种为单细胞悬液。
选项 B： 可使用 ECIS 的稳定化功能作为 L-半胱氨酸处理的替代方法，或与其联合使用，以应对电极漂移或孔间电阻与电容出现较大差异的问题。
- 进行半胱氨酸处理（可选）并用蛋白质包被电极（可选）。
- 每孔加入 200 µl 完全培养基，将阵列放入阵列支架中。
- 打开测量软件并按下 设置 随后 检查 确认阵列连接正常，并测量初始的Z、R和C值。
- 通过按压固定电极 稳定化 在 "收集数据" 部分。ECIS 将施加一个高电流（ca0.3 mA）、高频（64 kHz）脉冲清洁电极。
- 检查 电极再次连接。电容应增加，电阻值应在可比较的范围内。
- 如果电容和电阻值仍不理想，需重复稳定化步骤。
- 从支架上取下阵列并接种细胞。
3. 设置测量软件与数据采集
- 按照之前所述，将芯片放入芯片架中。
- 打开测量软件并按下 设置 按钮在 "收集数据" 连接ECIS软件与ECIS仪器并运行另一个孔的步骤 检查.
- 验证所选阵列中的 "孔板配置" 部分。
- 选择需要测量的孔 "孔板配置" 部分
- 从测量模式中进行选择 "收集数据" 选项：
- 对于固定频率的时间序列，选择 单频/时间（SFT） 从下拉菜单中选择测量频率。
- 用于测量电极覆盖率及对 Rb 和 Alpha 进行建模的选择 多频/时间（MFT）ECIS 仪器将自动在所有可用频率下进行测量。
- 对于微动（参见数据分析），选择 快速时间采集（RTC） 并调整测量频率和采样频率。此处标准的时间分辨率为每秒一个采样点 （1 Hz），但采样频率也可提高至最高25 Hz（针对Z-Theta），以监测阻抗的快速变化。重要提示：在RTC模式下仅测量一个孔。
注意：如果需要在多个孔中依次测量微运动，请参阅帮助 > 显示专家工具栏/菜单项 > 获取 > 多孔RTC。在“采集数据”部分设定时间限制（小时），ECIS将按数字顺序测量选定的孔。启动测量后，软件将提示指定循环次数。输入测量需要重复的次数。
- 对于SFT和MFT，选择时间 间隔（秒） 在测量之间或需要尽快采集数据时，取消选择此选项。
注意：ECIS 设备使用多路复用器在不同孔之间切换以采集数据，SFT 的最短采集时间间隔为 0.25 秒，MFT 为 7.5 秒。这意味着时间间隔取决于所选孔数和频率。对于增殖较慢的细胞或仅需简单记录电阻随时间变化的情况，建议使用 600 秒或更长的时间间隔。 - 按压 开始，命名文件并选择存储数据的位置。
注意：文件大小通常不会成为问题，因为 ECIS 数据以一种名为 *.abp 的纯文本格式保存，其大小从不超过几 MB 即使选择了所有测量频率和孔数，也仅需数百兆字节。 - 通过按压停止运行 完成.
4. 培养基更换与细胞操作
- 按下暂停，这将停止数据采集，但实验时钟将继续运行。
- 从支架上取下阵列，并在超净工作台中进行操作（例如更换培养基）。
- 将阵列重新放回支架，然后单击检查连接或恢复实验以继续数据采集。测量软件将在数据集中插入一个时间标记。
5. 数据采集期间的急性刺激
注意：第二种选择是在数据采集过程中对细胞进行操作，以追踪其即时变化。此方法仅在实验后续过程中样品无需保持无菌时才可行 。
- 将刺激物直接加入孔中，并使用 200 µl 移液器小心混匀。
- 通过点击标记手动记录时间点，并添加备注。
6. 电损伤
注意：为所用细胞类型找到合适的参数设置是实现电损伤的关键。若损伤时间过短，可能导致细胞去除不充分；若损伤时间过长和/或操作过于剧烈，则可能损坏电极（尤其是在透明电极阵列上）。因此，建议采用多个短暂的损伤脉冲。对于 HUVEC 培养，使用 ECIS 1600R 时，两个持续 10–20 秒、5 V、60 kHz 的损伤脉冲已被证明是最佳条件。通常建议使用较高频率 >20 kHz，以在细胞间维持均匀的高电场，并避免对电极造成任何损伤。
- 在进行 ECIS 实时测量期间实施划痕操作。
- 启用 划痕/电穿孔设置，然后点击 划痕，并填写时间（秒）、划痕电压（V，适用于 1,600 R 型）或电流（µA，适用于 Z 和 Z-Theta 型）以及频率（Hz）。显示的默认值基于阵列类型和 ECIS 设备型号。
- 在 "孔板配置"部分中选择需要划痕的孔。仅被选中的孔将执行划痕操作。
- 启用 延迟至指定小时，并填写延迟时间以激活延迟划痕功能。该功能可在任意时刻通过点击 停止 或手动执行划痕操作来终止。每次仅允许一个延迟指令处于激活状态。
- 点击 启动，并在弹出窗口中点击 确定 以开始划痕。
- 确保划痕后电阻信号下降至偏移阻抗水平，否则需重复划痕操作。
7. 数据分析
- 数据表示与导出。
- 完成测量或通过 文件 -> 打开 加载数据集。
- 从 "孔板配置" 窗口中选择要显示的孔。将单个孔分组以显示其平均值。
- 从上方工具栏中选择要显示的参数（Z、R 或 C）。
- 从上方工具栏中选择图表类型（T = 时间，F = 频率，3D = 瀑布图）。
- 使用图表窗口下方的滑块定义图表偏移和范围，或在相邻控件中输入精确数值。
- 在 "分析" 部分的基本 "时间序列选项" 中进行选择，以执行数据的标准差、滑动平均或归一化处理。
- 在 帮助 菜单中启用 专家工具栏，以进行更高级的操作，如奈奎斯特图和傅里叶变换。
- 在 "分析" 部分使用 "显示选项" 来定义 x 轴和 y 轴的范围并导出图表。
- 通过 文件 -> 导出数据 -> 到 Excel（选定） 将选定数据导出为 Excel 文件，并根据需要使用任意第三方软件进行深入分析、统计和可视化。
- Rb 和 Alpha 的建模。
注意：建议使用无细胞、含培养基的孔作为参考进行建模。- 完成 MFT 测量或加载 MFT 数据集。
- 如果有无细胞的参考孔，可在 "分析" 部分的 "频率扫描建模" 中，按 查找 自动选择参考值，或按 设置 手动选择无细胞的时间点。
- 若无无细胞参考孔，则从另一数据集中导入参考值。打开参考数据集（确保使用相同的阵列和培养基），使用 查找 或 设置 选择参考值，然后切换至测量数据并点击 获取。
- 若无可使用的无细胞参考数据集，则使用出厂默认值。
- 点击 建模 开始计算。建模所需时间可能达数分钟，具体取决于数据集大小。
- 微运动的计算。
注意：此计算不属于测量软件功能，但可使用任意信号处理软件完成。- 完成 RTC 测量或加载 RTC 数据集。
- 将数据集除以整个时间段的平均电阻值进行归一化。
- 将数据集分割为每段 256 个数据点的片段，并使用汉宁窗对每一段进行平滑处理。
- 进行 256 点傅里叶变换，并将得到的频谱平均为单边 129 点功率谱，以最小化随机噪声并增强生物信号。
- 在双对数坐标图中绘制频率与振幅的关系，并进行最小二乘线性拟合。
- 线性拟合的斜率反映信号的整体噪声水平，从而表征细胞的微运动程度。
结果
建立实验相对简单，测量过程完全自动化，但与通常情况一样，数据的正确分析与解释至关重要。在代表性数据部分，提供了关于如何解读ECIS阻抗谱技术所给出的最重要参数的指南。这将有助于确定ECIS测量适用于哪些类型的科学问题，以及应记录哪些参数。
典型的实验读数通常可分为细胞接种后的生长期和细胞达到汇合状态时的平台期。这两个阶段分别反映了细胞的不同特性。图中展示了一次代表性测量结果。 图2 并分为四个亚阶段以分析：A）细胞黏附、铺展与增殖；B）成熟内皮细胞屏障的形成；C）电损伤后细胞迁移；以及 D）细胞对血管活性物质凝血酶刺激的响应。在不同亚阶段中，直接从检测电极处获取相差显微图像和免疫荧光图像，以阐明电极覆盖度、细胞状态与记录的阻抗信号之间的关联。
黏附、铺展与增殖
每种细胞类型都有其特有的黏附和生长曲线，可通过改变接种密度、包被细胞外基质蛋白或其他刺激因素进行调控。研究这些过程的主要难点之一在于区分黏附、铺展与增殖。Wegener 等11 详细描述了利用电阻和电容组合来区分这些参数的方法 图3 很明显，电阻和电容是如何相互补充的。在研究细胞黏附和铺展时，理解测量频率的影响非常重要，因为在此过程中电场会引起悬浮细胞细胞膜的极化8，迫使电流仅在细胞周围流动。当细胞附着后，会通过在电极表面铺展而逐渐限制电流通过，电极上未被覆盖区域的比例（即开放面积分数）越小，电容便以线性方式下降。因此，在记录频率高于40 kHz的电容值时，可最准确地量化细胞的黏附、铺展和增殖情况。图3B），其中电容的降低与电极表面覆盖程度成正比。或者，选择在最敏感的测量频率下的电阻值可直接反映细胞分化并成熟为融合屏障的过程。图3A）。除了分数面积外，Wegener 等 引入了另外两个参数来量化黏附性和电极覆盖率：t1/2 （半最大电容），即电极表面被细胞覆盖50%所需的时间（图3B，插入），以及电容曲线的斜率（s，未显示）作为细胞铺展和增殖的速率。
以电阻作为屏障质量的衡量指标
电阻是阻抗中能够最准确描述屏障质量与功能的部分，因为它忽略了来自细胞膜、电极和培养基的电容成分。此处使用“屏障质量”而非“通透性”这一术语，因为根据定义，通透性仅取决于细胞间连接。而电阻则由细胞及其细胞间和细胞-基质相互作用阻止电流通过的能力所决定。因此，不同细胞类型（克隆株和传代次数）具有其特定的电阻值（图4A）。尽管电阻能更清晰地反映细胞屏障状态，但仍应始终结合考虑阻抗信号。
Rb 和 Alpha 的建模
ECIS 软件具有一个特殊功能，即能够建模两个参数，用以区分细胞-细胞黏附和细胞-基质黏附（图 4B 和 4C）。Rb（单位：cm2 × ohm）表示细胞-细胞接触对电流流动的电阻率，因此是经典通透性的反向度量指标。Rb 值越高，表明对电流流动的通透性越低。Alpha（单位：cm × ohm0.5）用于衡量来自细胞-电极连接处的阻抗贡献。用于量化细胞-细胞和细胞-基质接触的模型由 Giaever 和 Keese 于 1991 年提出，该模型假设细胞为圆形盘状结构，具有绝缘膜，悬浮于电极上方，并内部充满导电电解质2。由于细胞膜具有绝缘特性，电流仅能通过三条路径：a）细胞腹面与电极之间；b）细胞-细胞接触区域；c）穿过细胞内部（仅在使用高测量频率时可能发生）。更详细的推导与解释可参见 Lo et al3,12 的论文。
微运动
已有研究表明，电阻信号的微小波动（图 4A是由于融合细胞层中细微的随机细胞运动，以及在稀疏培养中细胞移动到电极上或从电极上移开所致2Lo和Opp所描述的ECIS时间过程数据的这一方面 等13,14 常被忽视，仅在使用1E阵列并以对细胞旁路和细胞内电流路径最敏感的频率进行测量时才能最佳观察到。这种由细胞引起的噪声（微运动）的计算未包含在标准测量软件中，尽管在最新版本中已集成快速傅里叶变换（FFT）。以1 Hz采样频率在4 kHz下记录1小时的实时细胞阻抗（RTC）数据，足以用于细胞外微运动的计算。该计算可提供单一数值，可直接用于统计分析。关于频率分析在微运动研究中的应用的进一步讨论可参见其他文献。15. 作为FFT的替代方法，也可采用其他分析策略，例如增量方差。方差对微运动中的微小变化更为敏感，但正因其敏感性，使得不同实验之间的比较变得困难。功率谱的斜率则是对微运动更为稳健的测量指标图4D曲线下面积可被视为细胞产生微动或噪声的量度。因此，功率谱斜率越陡，曲线下的面积越小，微动也越小。
电场伤口愈合实验
为了研究细胞迁移，通常使用移液器吸头、细胞刮刀或特定印章在培养板上刮除细胞以制造机械划痕，并在显微镜下观察其重新迁移的过程16。该方法的明显缺点是划痕尺寸不一致，且通常过大，难以忽略细胞增殖对伤口愈合过程的影响。ECIS的损伤功能则采用高电压、高频率脉冲清除电极上的细胞，随后追踪邻近细胞向该区域迁移以替代死亡细胞的过程（图5A）。与传统、劳动密集型的划痕实验相比，这种自动化方法的优势在于ECIS可产生高度可重复、直径精确为250 µm的伤口，通常在数小时内闭合，从而可用于研究纯粹的细胞迁移。此外，电脉冲不会去除蛋白包被层及细胞分泌的细胞外基质。假设细胞从各个方向向电极区域迁移，则可通过将伤口半径除以伤口闭合所需时间，简便地计算出迁移速率17。除电损伤方法外，近年来还引入了一种称为“电栅栏”（electric fence）的方法（未展示）。该方法通过施加高电流脉冲，在接种后阻止细胞在电极上的贴附和迁移。细胞将围绕检测电极生长，并在电脉冲关闭后立即开始向内迁移。与电损伤相比，电栅栏法的优势在于电极表面未因细胞生长或去除而发生改变，这对于研究不同包被层对细胞迁移影响尤为重要。
细胞刺激
除了细胞迁移研究外，阻抗谱技术也非常适用于测量药物和毒素对细胞的影响。图5B展示了一项经典的刺激/抑制实验，其中使用凝血酶诱导融合的内皮细胞屏障发生细胞收缩和间隙形成，从而导致屏障通透性升高，表现为电阻的短暂下降。通过预先孵育Rho激酶抑制剂Y-27632，可降低细胞基础张力18并抑制应力纤维的形成19，从而显著减弱大部分凝血酶引起的反应。随后在加入凝血酶后的不同时间点加入Rho激酶阻断剂，可立即且完全恢复内皮细胞屏障功能。由此可见，连续阻抗检测系统在研究细胞急性反应方面的优势十分明显。而在常规的终点检测方法（例如免疫荧光染色或大分子通透实验）中，这种对阻断剂的急性反应极难甚至无法被检测和定量。需要注意的是，阻抗测量反映的是离子通透性，而非大分子物质的通透性。有关ECIS测量与大分子通透实验之间的详细比较，请参见Aman et al.20的研究。
图 2. 典型测量结果。 微血管内皮细胞（MVEC）在明胶包被的8W1E阵列上以5,000个细胞/cm2的低接种密度培养，并持续进行10天的多频阻抗（MFT）记录。该测量展示了ECIS实验的多种读数结果：A）细胞黏附、铺展与增殖；B）融合细胞屏障的形成与成熟；C）电损伤后伤口愈合过程；D）使用血管活性物质凝血酶进行刺激。图中两个箭头指示的是每4天进行一次的培养基更换，可由此了解测量对机械刺激以及温度和pH变化的敏感性。顶部图像对应于测量过程，并直接从测量电极获取。左侧相差图像显示接种后24小时的内皮细胞，开始覆盖电极表面。中间和右侧的免疫荧光图像分别展示了凝血酶（1 U/ml）刺激前后融合内皮层的F-actin染色结果。凝血酶通过形成所谓的应力纤维引起内皮细胞收缩，并瞬时打开细胞间间隙（箭头及图像插图），在ECIS信号中表现为电阻下降至基线水平。此处明显体现了测量的灵敏度，以及细胞层的变化如何与阻抗信号相对应。请点击此处查看该图的放大版本。
图3. 细胞贴附与生长 同一供体的MVEC以三种不同密度接种于明胶包被的8W10E阵列上，并在60小时内以多种频率记录细胞生长情况。 A) 在4 kHz最佳频率下测量屏障形成的三种条件的电阻值。三种接种密度均形成了融合的屏障 ca测量结束时为 1,200 Ω；然而，增殖速率（曲线斜率）差异显著。 B) 在64 kHz下测量电容可提供有关细胞贴壁和铺展的信息。贴壁表现为电容曲线的初始平台期（发生在2-8小时之间）。铺展与电极覆盖面积呈线性关系，由曲线的斜率表示，通常在接种后10-30小时内完成，具体时间取决于接种密度。时间点t1/2 （半数最大覆盖量）可用于统计分析。 请点击此处以查看此图的放大版本。
图4. 汇合屏障的表征。 使用不同传代次数（第3代和第6代）的两种MVEC供体细胞接种于明胶包被的8W1E阵列上，进行持续30小时的MFT检测，以表征内皮细胞屏障功能。 A) 电阻测量结果表明，年轻供体1的电阻更高 ca11,000 Ω 相比于 ca7,500 Ω，来自较年长的供体2。 B-C) ECIS 的建模功能已被用于探究电阻降低的原因。建模结果显示，细胞间相互作用电阻 Rb 相似，而细胞-基质相互作用参数 Alpha 减弱，可能是导致电阻降低的原因。 D) 通过傅里叶变换对汇合细胞层内的微运动进行实时细胞阻抗检测（RTC）定量分析，其中曲线下的面积与微运动程度成正比。频谱分析显示，来自年长供体2的细胞微运动较少，这一结果支持了从电阻信号（变异程度较低）中已可推断的结论。 请点击此处以查看此图的放大版本。
图5. 电损伤后细胞迁移及凝血酶刺激的影响 阻抗记录在4 kHz下以最高时间分辨率进行。 A) MVEC 供体 1 在明胶包被的 8W1E 阵列上使用第 3 代细胞，供体 2 使用第 6 代细胞，培养至融合。随后通过施加两个 5 V、60 kHz 的电脉冲（每次持续 20 秒）形成电损伤。与年长的供体 2 相比，较年轻的供体 1 表现出更佳的伤口愈合能力，表现为伤口闭合更快（细胞迁移，曲线斜率）以及损伤后电阻更高。 B) 人脐静脉内皮细胞（HUVEC）在明胶包被的8W10E阵列上培养。待细胞达到汇合后，用含1%人血清白蛋白（HSA）的基础培养基替换完全培养基，进行1.5小时的血清饥饿处理。使用含HSA的基础培养基是关键步骤，因为血清成分会抑制凝血酶反应。一旦检测到稳定的电阻平台，立即将凝血酶直接加入孔中，并轻轻混匀 200 µl 移液器。最大凝血酶效应在30分钟后可见，其特征为电阻短暂下降至基线水平，并伴随 ca恢复后电阻降低30-50%。细胞在加入凝血酶前30分钟预孵育Rho激酶抑制剂Y-27632，或在加入凝血酶后20、30或40分钟添加该抑制剂，均可立即减弱凝血酶的作用。 请点击此处以查看此图的放大版本。
讨论
ECIS 是一种出色的工具，可用于筛选细胞特性与行为，以及量化已知和未知物质的作用。在此过程中，细胞保持在标准培养条件下，可利用高时间分辨率连续监测阻抗，并将其与光学信号相关联。由此，可根据细胞的形态和功能状态选择最佳的细胞操作时间点。然而，这种高测量分辨率也带来一定代价：温度、pH 或机械刺激（如培养基更换）的微小变化会立即影响阻抗信号。
对细胞施加微小的测量电流，使ECIS测量具有非侵入性、非破坏性和无需标记的优点，但因此只能测量被动的生物电特性（无法检测动作电位）。一个关键特点是，单次测量即可提取多个参数，整合了多种经典检测方法（如通透性或伤口愈合实验）的信息。特别值得关注的是，可通过数学建模的数据来分析电阻和电容的变化，并将这些变化关联到特定的细胞结构（例如 细胞间连接或细胞膜）。需要注意的是，阻抗谱技术始终提供的是传感电极上所有细胞的平均信号，因而无法用于单细胞研究；此外，数学模型仅适用于汇合的细胞层。因此，在进行建模前，内皮细胞应至少维持汇合状态一天，以确保细胞间黏附成熟且细胞处于静息状态。同样，电损伤应仅施加于汇合的细胞层，并采用多个高频短脉冲进行，以实现最佳的损伤效率并防止电极受损。
为了从ECIS测量中获得最大量的信息，如同其他所有实验一样，在开展实验前需要针对特定细胞类型，对电极阵列基底、包被物及接种密度等各项参数进行测试和优化。
ECIS 的一个主要局限性在于，该测量无法提供分子水平的直接信息。因此，ECIS 测量通常在实验系列的初期最具信息价值，有助于将科学问题与细胞结构或特性相关联，并为可检验假设的提出提供重要依据。因此，ECIS 的模块化设计支持广泛的应用，并可定制化阵列。最新的阵列发展表明，未来将重点关注用于细胞增殖和电损伤的高通量阻抗筛选，以及用于模拟的特殊流动阵列的进一步开发 体内 具有不同流动剖面的剪切应力。
更多文献
还可参考 Applied BioPhysics 公司网站（www.biophysics.com），获取应用说明、网络研讨会以及涵盖整个 ECIS 技术领域的详细出版物列表。
披露
Applied BioPhysics 公司支付了开放获取费用，但文章的结构和内容仍完全由作者负责。
致谢
作者谨此感谢 Charles Keese 博士、Christian Renken 博士、Christian Dehnert（Applied BioPhysics 公司）以及 Ulf Radler 博士（ibidi 公司）在本手稿撰写过程中提供的建议、帮助和富有成效的讨论。此外，我们还要感谢 Jan van Bezu 提供出色的技术支持。本研究得到了荷兰肺基金会（Longfonds）的资助，资助编号为 33.12.036。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ECIS Zθ | Applied Biophysics Inc., Troy, NY, USA | ibidi GmbH, Munich, Germany | |
| 8W1E PCB 电极阵列 | Applied Biophysics Inc., Troy, NY, USA | ibidi GmbH, Munich, Germany | |
| 8W1E Lexan 电极阵列 | Applied Biophysics Inc., Troy, NY, USA | ibidi GmbH, Munich, Germany | |
| 8W10E PCB 电极阵列 | Applied Biophysics Inc., Troy, NY, USA | ibidi GmbH, Munich, Germany | |
| L-半胱氨酸 | Merck Millipore | 102838 | |
| 明胶 | Merck Millipore | 104070 | |
| 牛凝血酶 | Merck Millipore | 604980 | |
| 白蛋白（人血清白蛋白） | Sanquin | ||
| Y-27632 | Tocris Biosciences | 1254 | |
| EGM-2 BulletKit | Lonza | CC-3162 | |
| 青霉素/链霉素 | Lonza | 17-602E |
参考文献
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