Неинвазивная визуализация пространственно-временного распределения ионов через клеточные мембраны

Клеточная мембрана содержит множество каналов для транспорта различных веществ, включая ионы, между клеткой и её средой. Трансмембранный транспорт ионов определяет биологические функции, такие как нервное возбуждение, сердцебиение, сокращение мышц и секреция гормонов.

Этот транспорт может быть анизотропным, когда неоднородное распределение ионов вызывает разные скорости ионного обмена в разных направлениях. Данный эффект выражен в гетерогенных тканях, что позволяет обнаруживать границы тканей, измеряя связанный с ними анизотропный транспорт.

Существующие методы (флуоресцентная визуализация, patch clamp) повреждают мембрану. Методы вроде спектроскопии электрического импеданса (EIS) измеряют только изотропный транспорт. Электрическая импедансная томография (EIT), усовершенствованная версия EIS, ранее применялась для расчёта коэффициентов транспорта только при равномерном распределении ионов.

Группа исследователей под руководством доцента Дайсукэ Кавасимы из Института перспективных академических исследований Университета Тиба измерила анизотропный транспорт, модифицировав технику EIT и улучшив модель ионного транспорта. Работа опубликована в Measurement Science and Technology.

Методология исследования:

  1. Неоднородное распределение ионов создавали вокруг сфероида (клеточного агрегата, имитирующего ткань), вводя с двух сторон растворы сахарозы разной концентрации.
  2. EIT выполняли с помощью микроэлектродного массива на печатной плате.
  3. Использовали три типа растворов относительно сфероида: изотонический, гипотонический и гипертонический.

Техника успешно визуализировала неоднородное распределение ионов, обусловленное анизотропным транспортом. Применение модели ионного транспорта позволило рассчитать соответствующий коэффициент транспорта и фактор анизотропии.

Результаты (значения фактора анизотропии):

Результаты были подтверждены наблюдением за флуоресцентными отношениями ионов калия (основных ионов в транспорте клеток) вокруг сфероида и согласовались со значениями EIT для всех трёх комбинаций.

Вывод и перспективы:

Предложенная технология визуализации на основе EIT обеспечивает простой и неинвазивный метод измерения анизотропного трансмембранного транспорта. Она позволяет немедленно измерять реакцию на лекарства, связанную с ионными каналами, что может привести к более эффективному и короткому доклиническому тестированию. Ожидается, что модель послужит новой платформой для медицинских открытий, способствуя ускорению разработки лекарств.