【期刊】基于生物阻抗谱的干细胞发育过程电学特性研究

姚佳烽等蔻享学术 2022-09-26

基于生物阻抗谱的干细胞发育过程电学特性研究
刘凯¹, 程晓璇¹，万建芬¹, 潘化平^2,3, 姚佳烽^*^1,3¹（南京航空航天大学机电学院，南京210016）²（南京医科大学附属江宁医院，南京 211199） ³（医工融合联合实验室，南京 211199）
关键词 生物阻抗谱;干细胞传感器;数值仿真;电学特性
细胞作为组成有机体形态和功能的基本单位，生命的奥秘都在其中，而干细胞（Stem Cell，SC）作为一类特殊细胞，具有发育全能性，在理论上可以诱导分化为机体中所有种类的细胞^[1]，在医学研究领域运用十分广泛。对干细胞的发育分化过程的研究将有利于疾病的诊疗，提高人们生活质量，对生命科学研究具有重要的意义。

常规的干细胞检测方法中，代表性的检测方法包括细胞免疫化学、核酸检测法、免疫荧光检测法等（图1）^[2-4]。这些检测方法都需要对细胞进行标记染色，增加了操作难度，影响细胞活性，难以实现在线检测。因此，为了加速干细胞发育分化的研究，保持细胞活性，急需低成本、免标记、操作便捷、可在线监测干细胞发育的检测方法。

图1细胞免疫化学法检测示意图

生物阻抗谱（Bioimpedance Spectroscopy，BIS）检测技术基于被测物的阻抗特性会随被测物的生理特性、测量频率的不同而发生改变^{[5, 6]}，通过分析相应的阻抗谱数据就能够获得大量的与被测对象的生理、病理状态相关的功能信息，对相关疾病的早期诊断具有十分重要的意义^[7]。相比其他检测方式，该检测技术因具备低成本、非侵入、免标记、操作简单等优点近年来受到研究者的广泛关注^[8]，已经在细胞检测^[9]、癌症诊断^[10]等方面取得一定的成效，其原理示意图如图2所示。

图2 生物阻抗谱检测生物细胞：（A）多功能阻抗式细胞仪;（B）癌细胞迁移监测集成微电极传感器；（C）集成肿瘤组织阻抗检测传感器^[10]

目前基于生物阻抗谱检测技术开发了各种传感器，主要以微流控芯片为主，但该类传感器普遍存在加工成本高的问题。此外，传感器的设计未考虑实际测量中被测物位置变动对阻抗的影响，测量结果的精度难以保证。本研究设计了一种新型的干细胞检测传感器，此传感器采用二电极测量法，主要由周向电极、渐缩腔室、窄缩腔室以及底面电极组成，如图3A所示。从硬件层面实现高精度测量，研究干细胞发育过程的电学特性。

图3 （A）分体式胚胎细胞传感器的结构示意图；（B）分体式胚胎细胞传感器电场线分布示意图

分体式胚胎细胞传感器利用周向电极和平面电极结合的电极布置方式施加激励测量，依靠渐缩腔室的上部（上腔室）实现便捷操作，窄缩腔室实现检测区域电场均匀化聚集，以及对细胞的支撑，避免其直接与底面电极相接触影响其活性。此传感器中的电场经渐缩腔室的“聚焦化”、底面电极的“均匀化”后，在窄缩腔室内形成均匀且密集的电场，提高了检测的灵敏度（图3B）。

对比常用的共面及对面电极传感器，此传感器实现了细胞位置自适应，可保证细胞位置的统一，避免干细胞分裂分化过程中位置变动对阻抗的影响，极大提高了生物阻抗谱检的检测精度。同时，当保持检测的细胞位置不变时，改变其半径大小，模拟监测干细胞分裂分化过程中大小变化，不同频率下共面电极传感器（传感器Ⅰ）、平面电极传感器（传感器Ⅱ）、分体式胚胎细胞传感器（传感器Ⅲ）内部的电场强度及电场线分布变化如图4所示。通过分析得到的阻抗数据，发现分体式胚胎细胞传感器对干细胞发育过程中细胞大小的变化更为敏感。

图4 不同频率下三类传感器内部的电场强度及电场线分

对传感器的结构参数进行了设计优化，以提高灵敏度和电场均匀性。利用此传感器进行了斑马鱼胚胎发育过程的监测，实验平台示意图如图5A 所示。分别监测斑马鱼胚胎培育 5 h、18 h、30 h 后的生物阻抗谱数据，结果如图5C和5D所示，直观地展示了随着胚胎干细胞的分裂分化，其阻抗值逐渐增大，弛豫频率逐渐减小。为进一步地阐释斑马鱼胚胎的生理信息变化，运用一种等效电路自动构建、自动拟合的基因表达式编程算法和遗传算法的混合算法^[11]实现细胞电学特性参数的提取，自动构建出No2阶段等效电路，如图5B所示，各阶段拟合效果如图5C和5D 所示，拟合精度约 99%，并成功提取了各阶段斑马鱼胚胎的电学参数。

图5 实验平台、数据处理及结果：（A）实验平台示意图；（B）斑马鱼胚胎干细胞的等效电路；（C）斑马鱼胚胎不同发育阶段的Nyquist 图；（D）斑马鱼胚胎不同发育阶段的虚频图

注：No1 阶段对应斑马鱼胚胎的体节期；No2 阶段对应胚胎咽囊期的初始阶段；No3 阶段则对应胚胎咽囊期的后期；No4 阶段则与胚胎发育的孵化期相对应

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作者简介

第一作者

姚佳烽，博士，南京航空航天大学副教授，硕士生导师，日本学术振兴会（JSPS）研究员，日本千叶大学客座研究员，江苏省留学回国创新创业人才，南京留学人员科技创新人才，苏州高新区创新创业领军人才。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、科技部外国文教专家项目等20余项科研项目。2019年获批“江苏省外国专家工作室”，2019年获得江苏省科学技术奖二等奖。国际期刊《Acta Translational Medicine》Associate Editor；期刊《医学创新与应用》副主编，《大医生》编委，《现代医学与健康研究电子期刊》编委。共发表学术期刊论文80余篇，其中SCI收录60余篇；出版日文专著章节1部，英文专著章节1部；申请发明专利20余项，授权5项.所带领团队的研究成果分别在江苏电视台、南京电视台报道。主要研究方向为：智能医工检测、微流控、多相流检测。

详情见：http://biomeasurement.nuaa.edu.cn/

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