全自动跨膜电阻测量仪-NanoAnalytics

☆ 不干扰细胞正常生长环境---测量的数值更加真实
☆ 测量采用更宽的频率范围---拟合的数据更加精确
☆ 构建的数理模型更加细致---电生理参数更加丰富

原理
多细胞组织的表皮或内皮细胞层具有选择性屏障功能，有着复杂且重要的生理活动。它们不仅控制临近细胞间间隙对各种溶解物的扩散渗透率，而且调控跨细胞物质转运。上皮和内皮细胞屏障的关键成分就是细胞间的连接点（即细胞间紧密连接）根据各种细胞内外的信号而选择性的开放或关闭细胞间隙。
细胞层的通透性和它的跨膜阻抗值（即 TER，Transepithelial/-endothelial resistance)之间的关系为：紧密的细胞层有较高的跨膜阻抗值，反之亦然，高通透性则有较低的跨膜阻抗值。因此，跨细胞层的阻抗值是一个高度受学界认可的衡量组织屏障功能紧密连接的参数。同时，它还能用来比较和监视屏障细胞层的形成和调控。
仪器
cellZscope是由电脑控制，可自动化、长时间监测细胞层的电生理变化的仪器，多可以同时记录24种细胞样本。它可以用来记录分析各种培养在多孔膜上的具有屏障功能的细胞的多项生理学参数，其中跨膜阻抗值（TER）和电容值（Ccl）是常规的两个测量指标。在血脑屏障、血管壁、鼻粘膜及消化道内膜等药物转运吸收环节，寻找方法调控屏障功能尤其重要，因此需要有合适的分析工具来研究体外药物筛选的细胞模型。cellZscope便于操作，且有广泛的应用，尤其适合研究药物或毒物对细胞屏障功能的影响。
cellZscope可以兼容各种细胞培养皿，这些培养皿底部均有多孔膜。细胞生长在膜上并形成细胞层屏障，然后就可以使用cellZscope对细胞层进行测量。通过建立电学环路模型和相应的数学模型，拟合出反应细胞屏障性能的各项参数。

硬件
cellZscope可以兼容各种细胞培养皿。这些培养皿底部均有多孔膜。细胞生长在这些多孔膜上并形成细胞层屏障，然后就可以使用cellZscope实时对细胞层进行测量。具体方式就是在细胞层上下部分各放置一个电极，然后在电极间施加一段连续频率的交流电压测量细胞层的阻抗值，通过建立电学环路模型和相应的数学模型，拟合出反应细胞屏障性能的各项参数，例如TER，CCL，RMED，ACPE以及nCPE等。cellZscope可以兼容各种细胞培养皿，包括BD,Biosciences，Corning，Greiner，Bio-One，Millipore,和Nunc。细胞模块可以同时容纳多24孔的培养皿，记录24种细胞样本。三种类型的模块均可以使用：小孔型（“24孔”型培养皿），中孔型（“12孔”型），大孔型（“6孔”型）。在实验中，细胞cellZscope的培养皿是放置于标准的细胞培养箱中，通过数据线外接到控制器并连接到电脑，电脑通过控制cellZscope软件来实时调整记录数据。
软件cellZscope还提供了一个客户端的软件，可以控制整个仪器对细胞层进行电学测量。它还提供了一个用于显示和分析的统计数据以及打印和导出数据的功能。用户界面简单实用，提供了;

• 根据实验需要预设时间间隔来获取数据

• 实时监测所获得的结果

• 对每个孔独立的输入描述

应用

• 紧密连接动力学研究

• 细胞层的形成、分化和极化

• 细胞屏障性能研究

监测细胞阻抗值-短期的紧密连接动力学到长期的细胞层形成cellZscope适合短期的紧密连接动力学研究以及长期的监测细胞的变化过程，如细胞层的形成、分化和极化的研究。

紧密连接动力学

上皮细胞和内皮细胞的跨膜阻抗值很大程度上是与细胞间紧密连接相关的。他们在表面和侧面的膜空隙之间形成一个密封的结构，根据各种细胞的内外信号而选择性的开放或者关闭，从而影响细胞间通道撰于物质的过程。屏障功能不是静止不动的，而是受到各种刺激物的调节。通过cellZscope测量上皮细胞/内皮细胞层跨膜阻抗值可以用于研究紧密连接动力学。下图显示的为MDCK细胞对不同浓度的EGTA的反应。EGTA是一种钙离子螯合剂，自由钙离子浓度的下降会引起细胞紧密连接的丢失，然后使用标准的培养液更换含有EGTA的溶液，细胞的跨膜阻抗值（TER）会重新恢复，也标志着细胞紧密连接的重新形成。为验证该结果，去除EGTA之前用固定液固定两份细胞，一分为未加EGTA对照，一分为加入EGTA的样品，然后使用染色分析分析细胞核和ZO-1蛋白质，通过激光共聚焦显微镜成像比较可知，cellZscope的测量结果很好的吻合了显微成像的结果，同时也说明了采用无标记非侵入式技术cellZscope的优点及其可靠性。

细胞层的形成
cellZscope不仅适合短期的紧密连接动力学研究，也可以连续监测细胞几天甚至几星期的生理状态。事实上，细胞接种密度、培养基种类、血清浓度、包被的底物和温度等因素都对细胞层的形成有很大的影响，这就要求而我们需要一种工具来监测生理条件下的细胞生长的持续的过程。从cellZscope所提供的跨膜阻抗值（TER）和电容值（Ccl）这两个参数可以获知当前的细胞状态，包括融合度和分化度。Caco-2是源自人类结肠癌细胞系，通常用于药物转运研究，在右下图实验中cellZscope跟踪记录了Caco-2细胞层的形成和分化的信息，自动化的记录了从接种细胞开始并持续观察三周。

应用举例-2
研究化合物介导效应对培养的上皮和内皮细胞的影响
实时监测来源于猪脑微血管的内皮细胞的细胞层跨膜阻抗值（TER）。对比在加皮质醇(橙色曲线)和无皮质醇曲线(蓝色曲线)的无血清培养基中生长的细胞的差异。实验数据显示,在加皮质醇的条件下，跨膜阻抗值（TER）随着时间逐步增加，这是由于脑内皮细胞的屏障明显加强引起的（下左图）。实时监测来源于猪脉络丛的上皮细胞的电容值（Ccl）。对比在加血清培养基(橙色曲线)和无血清培养基(蓝色曲线)中生长的细胞的差异。在无血清培养基中，猪脉络丛上皮细胞的表面会生长出更长和更加浓密的微绒毛，这种分化过程导致融合的细胞层的电容值（Ccl）的显著增加（下右图）。

[1] Rutten, M.J., Hoover, R.L., Karnovsky, M.J., Electrical resistance and macromolecular permeability of brain endothelial monolayer cultures, Brain Res. 425, 301 (1987).
[2] Rothen-Rutishauser, B., Riesen, F.K., Braun, A., Günthert, M., Wunderli-Allenspach, H., Dynamics of Tight and Adherens Junctions Under EGTA Treatment. J. Mem. Biol. 188, 151 (2002).