Avaliação da penetração elétrica de membranas celulares usando quatro

Microsystems & Nanoengineering volume 8, Número do artigo: 68 (2022) Citar este artigo

1564 acessos

4 Citações

80 Altmétrico

Detalhes das métricas

A penetração elétrica da membrana celular é vital para determinar o interior da célula via citometria de impedância. Aqui, propomos um método para determinar a condutividade da membrana celular através dos níveis de inclinação dos pulsos de impedância. Quando ocorre a penetração elétrica, uma corrente de alta frequência passa livremente pela membrana celular; assim, a distribuição intracelular pode atuar diretamente nos pulsos de impedância de alta frequência. A simulação numérica mostra que uma distribuição de componente intracelular desigual pode afetar os níveis de inclinação dos pulsos de impedância, e os níveis de inclinação começam a aumentar quando a membrana celular é eletricamente penetrada. Evidências experimentais mostram que frequências de detecção mais altas (>7 MHz) levam a uma distribuição mais ampla dos níveis de inclinação dos pulsos de impedância ao medir populações de células com citometria de impedância de quatro frequências. Esta descoberta permite determinar que uma frequência de detecção de 7 MHz é capaz de atravessar a membrana das células de Euglena gracilis (E. gracilis). Além disso, fornecemos uma possível aplicação de citometria de impedância de quatro frequências no monitoramento de biomassa de células únicas de E. gracilis. A impedância de alta frequência (≥7 MHz) pode ser aplicada para monitorar essas mudanças de biomassa, e a impedância de baixa frequência (<7 MHz) pode ser aplicada para rastrear as mudanças de biovolume correspondentes. No geral, este trabalho demonstra um método de determinação fácil para a penetração elétrica da membrana celular, e a plataforma proposta é aplicável para a avaliação multiparamétrica do estado celular durante o cultivo.

A avaliação da biomassa de células individuais desempenha um papel vital em muitas áreas, incluindo a análise do estado celular1 e do mecanismo de crescimento celular2, bem como questões ambientais e energéticas3,4. Até o momento, várias técnicas, incluindo imagens de células vivas5, citometria de fluxo Raman6 e sondas químicas7, foram aplicadas com sucesso para a avaliação de alto rendimento da biomassa intracelular em células individuais. No entanto, a maioria dessas abordagens baseadas em óptica é demorada e trabalhosa, e os requisitos rígidos para manter e calibrar os pontos de foco do feixe limitam sua robustez e portabilidade. Neste trabalho, propusemos um método mais eficaz e conveniente para caracterizar a biomassa através das magnitudes dos sinais de impedância de alta frequência.

Como alternativa, a citometria de impedância demonstrou ser aplicável para a caracterização de células únicas de maneira econômica e livre de marcadores8. Até o momento, a citometria de impedância tem sido empregada com sucesso para analisar a morfologia9, rigidez10 e estados11 de células individuais. A magnitude e a morfologia dos pulsos de impedância demonstraram ser dependentes do volume12 e da forma13 de células individuais, respectivamente. Além disso, pesquisas descobriram que a detecção de impedância de alta frequência é aplicável para caracterizar as propriedades da membrana14,15. Por exemplo, a condutividade da membrana celular aumenta com o aumento da frequência de detecção acima de 1 MHz14, e a condutividade da membrana está relacionada à viabilidade celular. Sui et al.16 e Zhong et al.17 mostraram que uma frequência de detecção de 5–8 MHz é suficiente para permitir que a corrente passe através das membranas das células vivas dos mamíferos. Esta conclusão é tirada das diferenças na condutividade da membrana entre células inativadas e vivas. Sem comparação com células inativadas, há poucos relatos de métodos aplicáveis ​​para determinar diretamente se a membrana é condutora.

Ao medir a biomassa intracelular com citometria de impedância, é necessário determinar a frequência de detecção que pode penetrar na membrana celular. Nossa solução é quantificar o nível de inclinação dos pulsos de impedância como um índice de inclinação13 e, em seguida, avaliar a condutividade da membrana celular por meio do índice de inclinação da população de células em diferentes frequências de detecção. Com base em nosso trabalho anterior, descobriu-se que a distribuição do componente intracelular afeta o nível de inclinação dos pulsos de impedância de alta frequência (6 MHz)18,19 porque uma corrente de alta frequência pode se propagar dentro de células individuais entre componentes intracelulares não condutivos. Por outro lado, uma corrente de baixa frequência (500 kHz) não consegue penetrar na membrana celular, propagando-se principalmente ao redor da célula18,19. Esse recurso facilita um novo método para determinar a frequência de detecção do interior e exterior da célula com base no índice de inclinação dos pulsos de impedância. Os interiores das células são mais heterogêneos do que suas morfologias em uma população. Quando a frequência de detecção é alta o suficiente para penetrar na membrana celular, o índice de inclinação dos pulsos de impedância para uma população de células será mais variado. Até onde sabemos, esta é a primeira vez que o nível de inclinação dos pulsos de impedância foi usado para determinar a frequência de detecção do interior da célula.