跨细胞膜的时空离子分布的非侵入性成像
细胞膜有许多通道，用于在细胞与其环境之间传输各种物质，包括离子。离子传输决定离子交换率(或跨膜传输系数)，进而控制生物功能，如神经兴奋、心跳、肌肉收缩和激素分泌。它也可以是各向异性的，其中离子的不均匀分布导致不同方向上的不同离子交换率。这种效应在异质组织中非常明显。因此，可以通过测量相关的各向异性跨膜转运来检测组织的边界和重叠。
荧光成像和膜片钳方法通常用于此目的。虽然它们确实测量了各向异性传输，但这些方法也会破坏细胞膜结构。因此，需要一种非侵入式检测技术。电阻抗谱 (EIS) 等技术只能测量各向同性传输。电阻抗断层扫描 (EIT) 是 EIS 的增强版本，已与离子传输模型结合应用以计算跨膜传输系数。但仅适用于均匀的离子分布。
最近，由千叶大学高级学术研究所助理教授 Daisuke Kawashima 领导的一组研究人员通过修改 EIT 技术和改进离子传输模型来测量各向异性跨膜传输。他们的工作发表于 2022 年 12 月 22 日的《测量科学与技术》杂志第 34 卷第 3 期。它是由千叶大学的两位教授——工学研究科多相流与可视化研究室的武井政弘和理学研究科生物结构化学研究室的村田健合着的。
川岛教授简要解释了研究方法。“首先，通过从两侧注入两种不同的蔗糖溶液，在球状体(模拟组织的细胞聚集体)周围产生了不均匀的离子分布。之后，使用安装在印刷电路板上的微电极阵列传感器执行 EIT。”
相对于细胞聚集体，溶液具有三种浓度：等渗、低渗和高渗。该技术成功地生成了描绘由于各向异性跨膜传输而导致的不均匀离子分布的图像。随后，研究人员应用离子传输模型计算了相关的传输系数和各向异性因子。后者在 iso-hyper 中为 0.34 ± 0.24，在 iso-hypo 中为 0.58 ± 0.15，在 hyper-hypo 溶液组合中为 0.23 ± 0.06。研究人员通过观察细胞球体周围钾离子(参与细胞离子传输的最丰富的物种)的荧光比率来验证这些结果。它们与所有三种组合的 EIT 值一致。
“因此，所提出的基于 EIT 的成像技术为细胞和组织提供了一种简单且非侵入性的各向异性跨膜转运测量方法。它可以立即测量与离子通道相关的药物反应，从而导致更有效和更短的临床前测试，” Kawashima 教授总结道。
该模型有望作为一种新的医学发现评估平台，有助于实现快速药物开发过程。
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