Quantitative evaluation of micromotion of cultured cells using electrical cell-substrate impedance sensing (ECIS) method - cell-to-cell distance and cell-to-substrate distance -

We have proposed a mathematical model for the micro-dynamics for cultured cells measured with ECIS system for the detection of nanometer-order dynamics of cells cultured on a small gold electrode and could separately evaluate cell-to-cell distance (A) and cell-to-substrate distance (h). For wide applications of this method, we constructed mathematical models which express cell-to-electrode impedances for some kinds of confluent conditions. Based on this mathematical model, we defined new parameters S(A) and S(h) in order to evaluate cell-to-cell distance and cell-to-substrate distance. As the application, we investigated the effect of X-irradiation to bovine aortic endothelial cell (BAEC). We analyzed the micro-dynamics of cells from the impedance of BAEC before and after X-irradiation. It was proved that the stimulation of 100 Gy X-irradiation to the BAEC resulted in the large scale of increase in the cell-to-cell distances (A), and the slight increase in the cell-to-substrate distances (h) accompany with continuous fluctuations.

[背景] Electrical Cell-substrate Impedance Sensing (ECIS)は培養細胞の電気的計測により,その微細挙動を評価する工学的手法である｡我々はECISを用いてこの微細挙動を細胞-細胞間隙と細胞-電極間隙に分離して推定することが可能な数学的モデルを提案してきた｡本研究ではこの数学的モデルを使用して,Ⅹ線を照射した牛大動脈内皮細胞(bovine aortic endothelial cell : BAEC)の微細挙動の経時変化を評価した｡ [方法と結果] ECISシステム(Model 1600R Applied BioPhysics)を用いてBAECのコンフルエント到達前後で計測を行い,数学的モデルを構築した｡このモデルは細胞の微細挙動を検出するために重要な周波数レンジである1-10kHzにおいて測定結果とよく一致し,Cole-Cole円弧則に従う｡さらに細胞-細胞間距離Aの増減に対応する校正定数S(A)と細胞-電極間距離hの増減に対応する校正定数S(h)を導入し,ベクトルインピーダンスの変化に対応した値を算出することで細胞の微細挙動を評価することとした｡次に本法によりX線(150kV, 100Gy)を照射したBAECの微細挙動を評価した｡Ⅹ線照射細胞では時間経過と共に抵抗成分の変化が支配的なインピーダンスの減少が確認された｡この現象はS(A)の大きな増加とS(h)の微小な減少をもたらした｡このパラメータの変化は細胞間隙が拡大したことを示しており,Ⅹ線照射による細胞内損傷により細胞密度が低下したと考えられた｡ [結論] 本法は培養細胞の微細動態の変化を細胞-細胞間隙と細胞-電極間隙に分けてリアルタイムに定量評価することが可能であり,各臓器の細胞レベルでの薬物の治療効果や Ⅹ線に対する耐性の評価に適応できるものと考える｡