細(xì)胞電刺激體外培養(yǎng)研究方法

細(xì)胞之間的通訊是通過各種形式的固定且可溶的介質(zhì)（如氣體、離子、肽和蛋白質(zhì)）來實(shí)現(xiàn)的。在抗體-抗原識(shí)別中，表位和互補(bǔ)位之間的穩(wěn)定匹配只有在它們擴(kuò)散通過帶電的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)并與溶劑分子成功競爭后以足夠接近的距離相遇時(shí)才會(huì)發(fā)生。該識(shí)別過程中的所有參與者，包括ECM、溶劑分子、抗體和抗原呈遞實(shí)體，由于其分子中的電荷和極性基團(tuán)、這些參與者的分布和運(yùn)動(dòng)，都對電場(EF)敏感。在理論上，可以通過內(nèi)源性或外源性EF來操縱或影響，從而導(dǎo)致細(xì)胞相互作用的電調(diào)節(jié)。觀察結(jié)果表明，生理相關(guān)的內(nèi)源性或外源性電刺激(ES)可以作為影響或調(diào)節(jié)細(xì)胞和組織穩(wěn)態(tài)的有效工具。

ES對動(dòng)物細(xì)胞的刺激有多樣化的方式：一些是基于細(xì)胞類型，另一些是基于刺激方法或EF特性，例如直流電(DC)與交流電(AC)，或用介導(dǎo)材料。ES可以激活細(xì)胞內(nèi)多種信號(hào)通路，影響細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境，從而影響細(xì)胞遷移、增殖和分化。生物相容性導(dǎo)電材料的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，ES與組織工程支架的搭配可以結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，是再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的理想選擇。

一、電極

以其簡單性成為將ES施加于細(xì)胞或組織的最常見工具。然而使用電極的方式不同，數(shù)據(jù)幾乎沒有可比性。

1. 浸沒在培養(yǎng)基中的兩個(gè)電極

據(jù)所用金屬的類型，可能會(huì)發(fā)生不可逆的金屬溶解，從而改變介質(zhì)的pH值。此外，EF可能會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)基中離子分布的梯度，從而對細(xì)胞生理學(xué)產(chǎn)生不同的影響，并增加區(qū)分ES引起的特定細(xì)胞反應(yīng)的難度。最重要的是，恒定電流會(huì)在電極-介質(zhì)界面處產(chǎn)生電化學(xué)產(chǎn)物，這可能會(huì)損害電池。

2. 電極之間使用鹽橋

通過在U形玻璃管中填充由高濃度惰性電解質(zhì)（如KCl或KNO3）制成的溶液以及瓊脂或明膠等膠凝劑，鹽橋允許離子移動(dòng)以傳輸電荷，同時(shí)阻止其他物質(zhì)的擴(kuò)散。使用鹽橋的目的不是將電極直接浸入培養(yǎng)基中，而是防止電極/液體界面處產(chǎn)生的氧化還原產(chǎn)物污染培養(yǎng)基。

使用鹽橋可以將培養(yǎng)室與電極的有害電解產(chǎn)物分開。然而，大直徑玻璃管可能導(dǎo)致鹽泄漏到培養(yǎng)室并影響培養(yǎng)基成分。實(shí)驗(yàn)裝置也占用很大的空間，并且細(xì)胞培養(yǎng)箱內(nèi)的玻璃橋可能有破裂的風(fēng)險(xiǎn)。這種設(shè)計(jì)是前文提到的帶有金屬電極的直接ES的更好替代方案。缺點(diǎn)是設(shè)備的復(fù)雜性使得多個(gè)并行實(shí)驗(yàn)變得困難。

3. 細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)作為工作電極

首先將細(xì)胞接種并培養(yǎng)在電極表面，然后將電極用作三電極電化學(xué)電池中的工作電極。由于工作電極的表面具有等電位，因此粘附在其上的所有細(xì)胞都會(huì)受到均勻的EF。由于細(xì)胞在不同基質(zhì)上的表現(xiàn)不同，因此涉及不同工作電極的實(shí)驗(yàn)之間的任何比較都必須非常謹(jǐn)慎。

二、導(dǎo)電基底介導(dǎo)

半導(dǎo)體可以用作生長細(xì)胞的基底，基板被布線成完整的電路并且不產(chǎn)生任何電泳或電極反應(yīng)。當(dāng)沿基底形成電位梯度時(shí)，與基底表面密切相互作用的細(xì)胞膜也會(huì)經(jīng)歷該電位梯度。如果使用替代電流，電磁場也會(huì)發(fā)揮作用。基材的電導(dǎo)率必須足夠低，以實(shí)現(xiàn)生理上顯著的電勢梯度，同時(shí)不能太高，以免產(chǎn)生過多的焦耳熱，干擾正常的生理溫度。

1. 碳(C)及其同素異形體

C在多種條件下（如強(qiáng)酸和強(qiáng)堿）表現(xiàn)出高耐腐蝕性和惰性。其表面可以通過感興趣分子的物理吸附或化學(xué)吸附，或通過識(shí)別元件和酶的固定化來修飾。此外，對于碳基和烴基材料，碳表面比鉑或金具有更好的親和力。

2. 導(dǎo)電聚合物

經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝后，導(dǎo)電聚合物可以變得具有生物相容性、可生物降解性和多孔性。

三、無創(chuàng)刺激

1. 電磁場

可以通過電磁場(EMF)實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)刺激。工作線圈圍繞或包圍研究對象，而無需任何直接接觸。因此不存在細(xì)胞毒性、組織相容性、電荷轉(zhuǎn)移、電極表面修飾和腐蝕等問題。

2. 電容耦合

基于兩個(gè)電容器板之間建立的EF，待刺激的細(xì)胞或組織夾在電容器板之間。為了確保均勻的ES，通常使用平行板。如果電容器板之間材料的介電常數(shù)已知，則可以計(jì)算施加到細(xì)胞或組織的EF強(qiáng)度。該方法避免了電池和電容板之間的任何接觸，消除了板的表面化學(xué)和形態(tài)的潛在干擾。然而，由于電容板和電池之間存在電介質(zhì)，因此需要高（可能超過1000 V）且不安全的電壓。