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细胞电刺激体外培养研究方法

更新时间:2023-11-28      点击次数:274

细胞之间的通讯是通过各种形式的固定且可溶的介质(如气体、离子、肽和蛋白质)来实现的。在抗体-抗原识别中,表位和互补位之间的稳定匹配只有在它们扩散通过带电的细胞外基质(ECM)并与溶剂分子成功竞争后以足够接近的距离相遇时才会发生。该识别过程中的所有参与者,包括ECM、溶剂分子、抗体和抗原呈递实体,由于其分子中的电荷和极性基团、这些参与者的分布和运动,都对电场(EF)敏感。在理论上,可以通过内源性或外源性EF来操纵或影响,从而导致细胞相互作用的电调节。观察结果表明,生理相关的内源性或外源性电刺激(ES)可以作为影响或调节细胞和组织稳态的有效工具。

ES对动物细胞的刺激有多样化的方式:一些是基于细胞类型,另一些是基于刺激方法或EF特性,例如直流电(DC)与交流电(AC),或用介导材料。ES可以激活细胞内多种信号通路,影响细胞内微环境,从而影响细胞迁移、增殖和分化。生物相容性导电材料的优势逐渐显现,ES与组织工程支架的搭配可以结合两者的优点,是再生医学领域的理想选择。

一、电极

以其简单性成为将ES施加于细胞或组织的最常见工具。然而使用电极的方式不同,数据几乎没有可比性。

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1. 浸没在培养基中的两个电极

据所用金属的类型,可能会发生不可逆的金属溶解,从而改变介质的pH值。此外,EF可能会导致培养基中离子分布的梯度,从而对细胞生理学产生不同的影响,并增加区分ES引起的特定细胞反应的难度。最重要的是,恒定电流会在电极-介质界面处产生电化学产物,这可能会损害电池。

2. 电极之间使用盐桥

通过在U形玻璃管中填充由高浓度惰性电解质(如KCl或KNO3)制成的溶液以及琼脂或明胶等胶凝剂,盐桥允许离子移动以传输电荷,同时阻止其他物质的扩散。使用盐桥的目的不是将电极直接浸入培养基中,而是防止电极/液体界面处产生的氧化还原产物污染培养基。

使用盐桥可以将培养室与电极的有害电解产物分开。然而,大直径玻璃管可能导致盐泄漏到培养室并影响培养基成分。实验装置也占用很大的空间,并且细胞培养箱内的玻璃桥可能有破裂的风险。这种设计是前文提到的带有金属电极的直接ES的更好替代方案。缺点是设备的复杂性使得多个并行实验变得困难。

3. 细胞培养基质作为工作电极

首先将细胞接种并培养在电极表面,然后将电极用作三电极电化学电池中的工作电极。由于工作电极的表面具有等电位,因此粘附在其上的所有细胞都会受到均匀的EF。由于细胞在不同基质上的表现不同,因此涉及不同工作电极的实验之间的任何比较都必须非常谨慎。

二、导电基底介导

半导体可以用作生长细胞的基底,基板被布线成完整的电路并且不产生任何电泳或电极反应。当沿基底形成电位梯度时,与基底表面密切相互作用的细胞膜也会经历该电位梯度。如果使用替代电流,电磁场也会发挥作用。基材的电导率必须足够低,以实现生理上显着的电势梯度,同时不能太高,以免产生过多的焦耳热,干扰正常的生理温度。

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1. 碳(C)及其同素异形体

C在多种条件下(如强酸和强碱)表现出高耐腐蚀性和惰性。其表面可以通过感兴趣分子的物理吸附或化学吸附,或通过识别元件和酶的固定化来修饰。此外,对于碳基和烃基材料,碳表面比铂或金具有更好的亲和力。

2. 导电聚合物

经过适当的结构设计和制造工艺后,导电聚合物可以变得具有生物相容性、可生物降解性和多孔性。

三、无创刺激

1. 电磁场

可以通过电磁场(EMF)实现无创刺激。工作线圈围绕或包围研究对象,而无需任何直接接触。因此不存在细胞毒性、组织相容性、电荷转移、电极表面修饰和腐蚀等问题。

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2. 电容耦合

基于两个电容器板之间建立的EF,待刺激的细胞或组织夹在电容器板之间。为了确保均匀的ES,通常使用平行板。如果电容器板之间材料的介电常数已知,则可以计算施加到细胞或组织的EF强度。该方法避免了电池和电容板之间的任何接触,消除了板的表面化学和形态的潜在干扰。然而,由于电容板和电池之间存在电介质,因此需要高(可能超过1000 V)且不安全的电压。