4가지를 이용한 세포막의 전기적 침투 평가

마이크로시스템 및 나노공학 8권, 기사 번호: 68(2022) 이 기사 인용

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세포막의 전기 침투는 임피던스 세포 계측법을 통해 세포 내부를 결정하는 데 필수적입니다. 본 논문에서는 임피던스 펄스의 기울기 수준을 통해 세포막의 전도도를 결정하는 방법을 제안합니다. 전기 침투가 발생하면 고주파 전류가 세포막을 자유롭게 통과합니다. 따라서 세포내 분포는 고주파수 임피던스 펄스에 직접적으로 작용할 수 있습니다. 수치 시뮬레이션은 고르지 않은 세포 내 구성 요소 분포가 임피던스 펄스의 기울기 수준에 영향을 미칠 수 있으며 세포막이 전기적으로 침투할 때 기울기 수준이 증가하기 시작한다는 것을 보여줍니다. 실험적 증거에 따르면 4주파수 임피던스 세포 계측법으로 세포 집단을 측정할 때 더 높은 검출 주파수(>7MHz)가 임피던스 펄스의 기울기 수준의 더 넓은 분포로 이어진다는 것을 보여줍니다. 이 발견을 통해 우리는 7MHz의 검출 주파수가 Euglena gracilis(E. gracilis) 세포의 막을 통과할 수 있음을 확인할 수 있습니다. 또한 단일 E. gracilis 세포의 바이오매스 모니터링에 4주파수 임피던스 세포측정의 가능한 적용을 제공합니다. 고주파 임피던스(≥7MHz)를 적용하여 이러한 바이오매스 변화를 모니터링할 수 있으며 저주파 임피던스(<7MHz)를 적용하여 해당 생체량 변화를 추적할 수 있습니다. 전반적으로, 이 연구는 세포막의 전기 침투에 대한 쉬운 결정 방법을 보여 주며 제안된 플랫폼은 배양 중 세포 상태의 다중 매개 변수 평가에 적용 가능합니다.

단일 세포의 바이오매스 평가는 세포 상태1 및 세포 성장 메커니즘2 분석은 물론 환경 및 에너지 문제3,4를 비롯한 여러 분야에서 중요한 역할을 합니다. 현재까지 라이브 셀 이미징5, 라만 유세포 분석6 및 화학 프로브7을 포함한 여러 기술이 단일 세포에서 세포내 바이오매스의 높은 처리량 평가를 위해 성공적으로 적용되었습니다. 그러나 이러한 광학 기반 접근 방식의 대부분은 시간이 많이 걸리고 노동 집약적이며 빔 초점 지점을 유지하고 교정하기 위한 엄격한 요구 사항으로 인해 견고성과 휴대성이 제한됩니다. 본 연구에서는 고주파 임피던스 신호의 크기를 통해 바이오매스를 특성화하는 보다 효과적이고 편리한 방법을 제안했습니다.

대안으로, 임피던스 세포 계측법은 라벨이 없고 비용 효율적인 방식으로 단일 세포 특성화에 적용 가능한 것으로 입증되었습니다8. 현재까지 임피던스 세포측정은 단일 세포의 형태9, 강성10 및 상태11를 분석하는 데 성공적으로 사용되었습니다. 임피던스 펄스의 크기와 형태는 각각 단일 셀의 부피와 모양에 따라 달라지는 것으로 나타났습니다. 또한 연구에 따르면 고주파 임피던스 감지가 멤브레인 특성을 특성화하는 데 적용 가능하다는 사실이 밝혀졌습니다. 예를 들어, 세포막의 전도도는 1MHz14 이상으로 검출 주파수가 증가함에 따라 증가하며, 막 전도도는 세포 생존능력과 관련이 있습니다. Sui et al.16 및 Zhong et al.17은 5~8MHz의 감지 주파수가 전류가 포유동물의 살아있는 세포막을 통과하도록 허용하는 데 충분하다는 것을 보여주었습니다. 이 결론은 비활성화된 세포와 살아있는 세포 사이의 막 전도도의 차이에서 도출됩니다. 비활성화된 세포에 대한 벤치마킹 없이 막의 전도성 여부를 직접 결정하는 적용 가능한 방법에 대한 보고는 거의 없습니다.

Impedance Cytometry로 세포내 바이오매스를 측정할 때에는 세포막을 투과할 수 있는 검출빈도를 결정하는 것이 필요합니다. 우리의 솔루션은 임피던스 펄스의 기울기 수준을 기울기 지수13로 정량화한 다음 다양한 감지 주파수에서 세포 집단의 기울기 지수를 통해 세포막의 전도도를 평가하는 것입니다. 이전 연구를 바탕으로 세포 내 구성 요소 분포는 고주파 전류가 비전도성 세포 내 구성 요소 사이의 단일 셀 내부에서 전파될 수 있기 때문에 고주파 임피던스 펄스(6MHz)의 기울기 수준에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 대조적으로, 저주파 전류(500kHz)는 세포막을 관통할 수 없으며 주로 세포 주위로 전파됩니다18,19. 이 기능은 임피던스 펄스의 기울기 지수를 기반으로 셀 내부 및 외부의 감지 주파수를 결정하는 새로운 방법을 용이하게 합니다. 세포 내부는 집단의 형태보다 더 이질적입니다. 검출 주파수가 세포막을 관통할 만큼 충분히 높으면 세포 집단에 대한 임피던스 펄스의 기울기 지수가 더 다양해집니다. 우리가 아는 한, 임피던스 펄스의 기울기 수준을 사용하여 셀 내부의 감지 주파수를 결정한 것은 이번이 처음입니다.