第二十三卷 第一期 - 2012年十二月二十八日 PDF
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利用阻抗量測與COMSOL模擬分析單一HeLa細胞電特性
王明浩、張凌昇*
國立成功大學電機資訊學院電機工程學系
Biosensors and Bioelectronics, 24: 2830–2835, 2009
SCI Category: ELECTROCHEMISTRY, Ranking 1 /22 = 4.5 %
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近年來,很多研究團隊試圖在疾病前期將疾病治癒。但是,以癌症那樣的疾病而言,常用的細胞檢查技術無法提供足夠的訊息來提供疾病的診斷,因為在疾病前期,只有很小的百分比的細胞會有症狀。而用傳統的檢測方法所得到細胞的參數是平均值,而且無法描述個別細胞的特性。此外,為了完全地理解複雜的細胞代謝過程,很多細胞參數必須是以即時的方式測量活體細胞,來了解細胞間複雜的反應。因此,單一細胞分析在生物學和醫學研究領域裡是一種新的研究方法。

這篇論文利用實驗和模擬的方式觀測單一的HeLa(human cervical epithelioid carcinoma)細胞在不同電壓和頻率條件下的阻抗、介電性與傳導性變化。在實驗階段,我們使用細胞捕獲裝置抓取單個He La細胞後,再利用商用阻抗分析量測在電壓範圍0.1~1V與頻率範圍1~100 kHz的單個HeLa細胞電特性。接下來再將實驗結果與商業的COMSOL套裝軟體來分析單一細胞系統模型所得到的數值解做比較。最後,利用模擬與實驗結果建立經驗方程式,來預測在不同操作頻率和電壓的單一HeLa細胞介電性與導電性變化。

圖一 生物電訊號電路系統模型示意圖
理論與模擬

這篇論文提出了一生物電訊號電路系統模型,該模型包含了細胞阻抗Zc、等張溶液阻抗Zs 與電極電阻Re。圖一為該模型示意圖。Zc為細胞膜電容Ccell與細胞質電阻Rcell串聯所組成,而Zs為電極間全部物質所造成的阻抗,即等張溶液電阻與電雙層電容並聯而形成之阻抗。

而在COMSOL模擬設定中,整個模擬結構為100微米×100微米。量測電極設定為兩個相距8微米,長寬分別46微米與8微米的金電極。此外,細胞形狀假設為圓形。圖二(a)為電極附近的電場分佈,其操作電壓與頻率分別為0.1V、1V與1 kHz。在電極中間的圓圈為半徑為10微米的HeLa細胞。從圖中可看出電場最大值出現在電極與細胞交界處。圖二(b)是操作電壓為1V,在y=0位置,電場沿著X軸的變化。從圖中可看出,由於細胞導電性與介電性會比等張溶液要大,所以細胞內電場增加率會比細胞外為要來的高。
圖二 (a) 操作電壓為0.1 V與1.0 V之電場分佈圖 (b) 在y=0位置,沿著X軸之電場值變化

結果與討論

在細胞捕獲實驗中,本論文利用泵將濃度為2.25X105細胞/毫升的細胞溶液以每小時5毫升的速度注入微流道中。並利用顯微鏡來觀察整個實驗過程。圖三為顯微鏡所拍攝到細胞捕獲結構抓到細胞的照片。當細胞被微三柱結構抓到時,將泵關掉並利用精密阻抗分析儀(Kayne Kerr Inc., 6440B)量測細胞阻抗。

圖四(a)與(b)為當操作電壓與頻率範圍為0.1V~1V與1~100 kHz時,利用模擬所得到單一HeLa細胞導電性與介電性的變化。從兩張圖可看出,在較低頻率時,單一HeLa細胞導電性與介電性會隨著電壓增加而增加。這個結果說明了當一個強電場存在時,會打開細胞膜的離子通道,因此會使的較多電流通過細胞。而且當離子通道打開時細胞質與等張溶液間會有較多電荷交換。此外,當操作頻率增加時,單一HeLa細胞導電性也會變大。這個結果是可被預期的,因為在較高頻率時,電流的流動會走兩電極間的最短距離。再者,單一HeLa細胞介電性跟頻率之間變化關係則與操作電壓有很大的關連性。在較高操作電壓(0.9V與1.0V)中,單一HeLa細胞介電性會隨頻率增加而快速變小,這是因為細胞膜的電容在高頻時,無法在一個週期內被完整充電。而在操作電壓範圍為0.6V~0.8V時,當操作頻率大於30 kHz時,單一HeLa細胞介電值會稍微地降低,但是當操作頻率小於30 kHz時,單一HeLa細胞介電值則會保持定值。在0.1 ~0.5 V的低操作電壓,單一HeLa細胞介電值不會隨頻率變化而變化,因為細胞膜電容在一個週期內可被完整充電。
圖三 細胞捕獲結構 (a) 未注入細胞溶液前(b) 注入細胞溶液後

圖四 操作電壓與頻率範圍為0.1V~1V與1~100 kHz時之單一HeLa細胞 (a) 導電性與 (b) 介電性變化

從實驗結果可知細胞阻抗會隨操作電壓和頻率而變化,而從模擬結果可知阻抗變化和細胞導電性與介電性有關。根據細胞膜的電穿孔可知,細胞導電性與介電性會被電壓、頻率與離子通道所影響。而電穿孔會被某些參數,例如電場、電流、細胞膜導電性與細胞膜穿透電壓所影響。因此,我們推斷細胞導電性與介電性是電壓與頻率的函數。所以根據模擬所得到的細胞導電值與介電值,這篇論文建立了6個方程式來預測細胞導電值與介電值。圖五(a)與(b)為當操作電壓與頻率範圍為0.2V、0.6V、1.0V與5~100 kHz時,實驗、模擬與預測方程式所得到單一HeLa細胞阻抗變化。從圖中可看出操作電壓與頻率範圍為0.2V、0.6V與5~100 kHz時,模擬與預測方程式所得到單一HeLa細胞阻抗值跟實驗所量測值是相近的。但是在較高操作電壓0.1V時,預測方程式所得到單一HeLa細胞阻抗值跟實驗所量測值相差很大。這個差異可能是因為高電壓使的細胞崩潰所造成。
圖五 操作電壓與頻率範圍為0.2V、0.6V、1.0V與5~100 kHz時,經由實驗、模擬與經驗方程式所得到之單一HeLa細胞 (a) 強度與 (b) 相位變化。

結論

總結來說,這篇論文呈現了實驗,模擬和經驗方程式對單一HeLa細胞阻抗特性研究。在實驗階段, 先利用微流道裝置捕獲單一HeLa細胞,然後利用商業精密阻抗分析儀量測電壓與頻率範圍為0.1 ~1.0 V與1 ~100 kHz時的細胞阻抗變化。在模擬階段,本篇論文建立了一生物電訊號電路系統模型,該模型為細胞阻抗與等張溶液阻抗並聯再與電極電阻串聯所構成。然後利用COMSOL模擬該模型來研究細胞阻抗的強度與相位以得到細胞導電性與介電性變化。最後根據實驗與模擬結果,建立經驗公式來預測在電壓與頻率範圍為0.1 V~1.0 V與 5~100 kHz時的單一HeLa細胞的導電值與介電值。
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