CN102016575A - 细胞表征的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种对样品中的细胞或细胞结构进行表征的方法包括：获得样品在至少一个频率范围上的至少一个归一化阻抗响应；以及使用归一化阻抗响应的至少一个特征来对至少一个细胞进行表征。

Description

细胞表征的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种对细胞以及由细胞构成的结构进行表征(characterizing)的系统和方法。
背景技术
已经报道了用于监测生物细胞的生长或其他特征的各种技术。一种这样的技术包括使用阻抗方法，如Lind R等人在1991年的Biosensorsand Bioelectronics，6(4)，359-367页的“Single Cell Mobility andAdhesion Monitoring Using Extracellular Electrodes”中报道的那样。其他已报道的技术包括确定阻抗中的变化并且将这些变化与细胞或细菌生长或移动链接起来。
大多数这些技术包含测量合适的生长介质中细胞或细菌的ac阻抗。使用这些方法将一些固定电激励频率(典型地在千赫范围内)处的阻抗Z中的总变化与细胞和细菌的生长链接起来，已经获得了一定程度的成功。然而，每一种测量系统具有其自身的特征阻抗的事实，使得使用阻抗技术监测生物细胞的生长或其他特征变得复杂，必须将所述特征阻抗与细胞的阻抗响应进行分离。
发明内容
根据本发明的第一方面，提出了一种对样品中的细胞或细胞结构进行表征的方法，包括：在至少一个频率范围上获得样品的至少一个归一化阻抗响应；以及使用归一化阻抗响应的至少一个特征来对至少一个细胞进行表征。
通过在频率谱上监测归一化阻抗的频率响应，已经发现可以识别归一化阻抗的频率响应中的特征并将其用于按照稳定和可重复的方式对细胞分类。归一化阻抗的使用具有另外的优点：无需连续地分别对电极进行表征。另外，AC阻抗技术是快速简便的，并且由于不需要不断的重新校准，从而允许连续监测细胞培养基(culture)。
所述频率范围可以是连续的或准连续的频率范围或者是频谱。所述频率范围可以包括一系列离散的频率测量。所述频率范围可以是位于0.1Hz和33MHz之间的任意频率范围。
该方法可以包括提供具有至少两个电极的系统。可以将样品设置在电极之间的电学路径上。
所述至少一个细胞可以是细菌或其他单细胞有机体。所述至少一个细胞可以是诸如植物或动物组织细胞之类的植物或动物细胞。至少一个细胞可以按结构排列，所述结构可以是植物或动物组织或者多细胞有机体。
该方法可以包括在所述至少一个频率范围上获得系统的基线阻抗响应。
可以在电极之间的电学路径中实质上没有细胞时，通过测量系统在所述频率范围上的阻抗响应，来获得基线阻抗响应。
基线阻抗响应可以是系统的初始的或计算的或估计的或标准的阻抗响应。可以在电极之间的电学路径上实质上没有细胞时，通过测量类似和/或标准化的系统在所述至少一个频率范围上的阻抗响应，来获得基线阻抗响应。
该方法可以包括获得系统在所述至少一个频率范围上的至少一个测量阻抗响应。
可以在电极之间的电学路径上引入和/或生长至少一个细胞之后，获得系统在所述至少一个频率范围上的至少一个测量阻抗响应。
获得至少一个归一化阻抗响应可以包括：将系统在所述频率范围中每一个频率处的所述至少一个测量阻抗响应除以系统在相应频率的基线阻抗响应。
归一化阻抗响应的所述至少一个特征可以是频率依赖的。归一化阻抗响应的所述至少一个特征可以是归一化阻抗响应在所述频率范围上的至少一个峰的频率和/或峰值大小和/或峰形状。可以在归一化阻抗中观察到多个峰。这种峰可以依赖于细胞或细菌的活性。这种单峰或多峰可以用于确定细胞或细菌系统的生长阶段。可以随时间跟踪归一化系统中获得的至少一个峰的变化，以区分细胞或细菌生长的变化。
归一化阻抗中随频率变化的至少一个峰可以是细胞或细菌类型和/或生长阶段的特征。因此，可以将归一化阻抗用于确定系统中特定细胞、细菌、组织类型或分子副产品的存在。
可以将电极浸没到培养介质中。培养介质可以配置用于促进至少一种类型细胞的生长。所述至少一种细胞可以包含在介质中。所述至少一种细胞可以与一个或更多电极接触。
可以使用AC阻抗技术来进行系统的阻抗响应和/或系统的基线阻抗响应和/或系统的归一化阻抗响应的测量。
根据本发明的第二方面，提出了一种对样品中的细胞或细胞结构进行表征的系统，包括：与控制器相连的至少两个电极，控制器适用于经由电极在频率范围上获得来自样品的至少一个归一化阻抗响应；并且使用归一化阻抗响应的至少一个特征来对至少一个细胞或细胞结构进行表征。
控制器可以配置用于经由AC阻抗技术来确定阻抗。
电极可以适于浸没在生长介质中。电极可以是金、氯化银或碳电极。电极可以是平面电极。电极可以配置用于体外(in vivo)或体内(in-vivo)测量。
所述电极可以附加到可植入装置和/或是可植入装置的至少一部分。可植入装置可以是心脏支架、附着至金属可植入固定架(ting)或支架的金属心脏瓣膜或组织瓣膜、血管支架或诸如髋关节之类的可植入关节的金属表面。
优选地，频率范围可以是位于0.001Hz和33MHz之间的任意频率范围。可选地，频率范围可以是0.001Hz以上的任意频率范围。在一些应用中，可以使用dc电压和电流用于基线和归一化计算。
系统可以配置用于获得频率范围上的基线阻抗响应。
系统可以配置用于获得频率范围上的至少一个测量阻抗响应。所述至少一个测量阻抗响应可以包括阻抗的实部和虚部，或者可以只包括阻抗的实部或者只包括阻抗的虚部。
系统可以适用于通过将系统在所述频率范围中每一个频率处的至少一个测量阻抗响应除以系统在相应频率的基线阻抗响应，来获得所述至少一个归一化阻抗响应。
根据本发明的第三方面，提出了一种包括至少一个电极的可植入装置，所述可植入装置适用于第一方面的方法和/或第二方面的系统。
优选地，可植入装置可以是支架、假体或替代器官和/或可以是具有裸露金属表面或者具有引入的金属表面的任意可植入医疗装置。
附图说明
现在参考附图仅以示例方式来描述本发明的各个方面，其中：
图1是用于表征细胞的系统；
图2是用于表征细胞的方法的流程图；
图3示出了使用图1的系统和图2的方法获得的平滑肌细胞的归一化阻抗的频率响应；
图4示出了使用图1的系统和图2的方法获得的平滑肌细胞、上皮细胞和内皮细胞的归一化阻抗的频率响应；以及
图5示出了使用图1的系统和图2的方法获得的葡萄球菌奥里斯细胞的归一化阻抗的频率响应。
具体实施方式
图1示出了表征生物细胞10的设备5，生物细胞10例如植物或动物细胞、细菌、植物或动物组织、多细胞有机体、古细菌(archaea)等。设备5包括控制器15，用于向测量系统20提供电信号、并从测量系统20获得电响应，测量系统20包括位于用来容纳生长介质35的容器30内的两个平面金电极25。生长介质35是导电的，使得当填充容器30时，完成了包括电极25、控制器15和生长介质35在内的电路。
控制器15配置用于通过在一定频率范围内监测系统20对于小AC扰动电流的阻抗响应，来执行AC阻抗频谱分析。这包括在电极25之间施加电学激励，以及测量电极之间的电学路径中至少两点之间的电流和电压的幅度和相位。在这种情况下，测量点位于电极25本身。然而，本领域普通技术人员应该理解，其中使用一个或更多附加测量电极的替代实施例是可能的。可以将所测量的电压和电流用于确定系统的阻抗，并且可以对阻抗的幅度和/或相位和/或相位差、电压和/或电流进行分析以确定电路的性质。
图2中概述了对位于电极25之间的电路路径中的细胞进行表征的方法。为了准备表征，如步骤40中所示，包括清洁电极25或者提供新做的电极25，以便从电极25的表面去除任意污染物或氧化物，所述污染物或氧化物可能导致假结果。用适于生长所需细胞的生长介质35来填充容器30，使得将电极25浸没在生长介质35中。生长介质35可以是本领域已知的任意合适的导电和电化学稳定的生长介质。
如步骤45所示，控制器15可操作用于执行系统20的AC阻抗扫描，在选定的频率范围f上测量系统20的阻抗，以便对于系统20和该频率范围收集基线阻抗响应Zmeasured(f，t＝0)。可以将频率扫描范围f设置为表示要研究的细胞的范围，或者例如如果细胞类型是未知的或者对较宽范围的细胞类型进行表征，可以执行宽带扫描。典型地，0.1Hz至32MHz之间的频率适用于对大多数细胞类型进行表征。
扫描的频率范围而可以包括一个或更多频率子范围，其中可以选择每一个子范围来研究所期待的频率反应。另外，尽管通过针对频率谱而非单独频率收集数据来执行测量，但是应该理解的是，一些设备，特别是数字设备，可以通过在离散的频率(每一频率由频率步长相分离)处收集一系列测量来收集准连续频率范围。将频率步长选择为足够小，使得这一系列离散频率看起来是连续的。可选地，通过对离散点进行插值可以获得连续的范围。
在一些情况下，基线阻抗响应可能不能获知，或者这种数据的收集可能是不方便的。在这些情况下，可以构建类似或标准的电极系统，并且获得基线阻抗响应Zmeasured(f，t＝0)的近似。然而，如果植入电极25或者电极25是植入/体内系统的一部分，由于生长介质和电极设置的复杂性导致可能难以进行近似，优选的是原位收集基线阻抗响应。
一旦已经获得了收集的或近似的基线数据，在步骤50中，在生长介质中引入和/或生长待分析的细胞。在步骤55，控制器15可操作用于执行系统20的至少一个另外的AC阻抗扫描，测量系统20在选定频率范围f上的阻抗，以便收集至少一个测量阻抗响应Zmeasured(f，t)。
然后在步骤60，将针对所述频率范围的测量阻抗响应Zmeasured(f，t)除以针对所述频率范围的相应基线阻抗响应Zmeasured(f，t＝0)，以便获得归一化频率Zn(f，t)。对于将阻抗响应测量为离散频率处的准连续系列阻抗值的实施例，将针对所述频率范围中每一个离散频率的测量阻抗响应除以针对该频率的基线阻抗响应。
对于其中细胞成分或者类型正在改变、或者细胞10在生长介质35中正在生长和/或倍增的动态系统，可以按照规则的时间间隔，重新确定测量阻抗响应Zmeasured(f，t)，并且对细胞10进行重新表征。这样，可以监测系统内细胞随时间的演变。
图3示出了随着平滑心肌细胞的生长，归一化阻抗的频率依赖性随时间的变化。从这里可以看出，随着心肌细胞培养基(culture)生长，归一化阻抗中出现峰值65。在汇集(confluence)时，即当电极被细胞覆盖时，则可以看出只在3000Hz下出现这种类型的峰值特征。
无需受到任何具体理论的限制，峰值65可能是由于单个细胞10对于系统20的阻抗和电容做出贡献的成分、或者是由于细胞培养基和电极25之间的相互反应。少量的电感也对响应做出贡献。
在步骤70，可以通过确定出现峰值65的频率，来对细胞10进行表征。可选地，可以使用诸如模型拟合、归一化阻抗的幅度和峰值拟合之类的许多更为先进的技术。可以将峰值位置与在查找表中存储的特征峰值位置进行比较，以便识别细胞类型。可选地，可以使用等效电路分析来代替峰值拟合。等效电路分析可以得到细胞或细菌的阻抗和电容值，它们是有机体和/或其生长阶段的特征。
为了证明这种技术能够区分细胞类型的能力，对于上皮细胞和内皮细胞分别重复上述方法。从图4所示的结果中可以看出，在汇集时，上皮细胞的归一化阻抗的频率响应在1000Hz附近出现峰值，平滑肌细胞的峰值更接近2000Hz，而内皮细胞的峰值更接近20000Hz。这样，当面对三种未知细胞类型时，上述设备和方法能够基于汇集时归一化阻抗的频率响应中的特征峰值的位置来对细胞类型进行表征。
这种技术的功效不仅在于组织细胞的表征，而且在于令人惊讶地能够用于对其他细胞类型和细胞有机体进行表征。作为示例，将以上细胞表征方法应用于细菌培养基流体(broth)生长介质中的葡萄球菌奥里斯(aureus)细菌培养。如图5所示，从所得到的归一化阻抗频谱中可知，在特定的特征频率处获得了归一化阻抗中的多个峰值。这些峰值可用于对所研究的细菌进行表征。每一条曲线是细菌类型和生长阶段的特征。
在本发明的实施例中，至少电极25可以结合到可植入装置上或结合到可植入装置中，或者形成可植入装置的至少一部分。可植入装置可以是专用传感器，或者可选地可植入装置可以是医学植入物或假体例如支架，或者替代有机体或者有机体部分如心脏瓣膜。这样，可以监测可植入装置的环境和条件。例如，可以检测和量化在支架周围形成的再狭窄程度，或者可以确定在植入体周围疤痕组织的形成，或者可以识别身体内的细菌感染。在另一个示例中，如果将电极系统放置在靠近伤口表面的伤口敷料内，可以将其用于发信号通知存在细菌感染和细菌类型。还可以看出，这种系统可以用在对细胞培养基进行表征的小型器械中，或者用作实验室内对伤口药签或表面药签进行表征的器械。
本领域普通技术人员应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，所公开结构的变体是可能的。例如，尽管上述设备5使用金电极25，应该理解的是，可以使用诸如铂之类的其他材料。可以将上述方法和设备应用于一系列的应用，例如在人体科学研究时确定再狭窄的程度、检测化学材料、钙化等等。尽管描述了具有工作电极和相对电极的双电极25系统，应该理解的是，可以使用其他电极结构，例如至少一个附加测量电极。尽管上述电极35是平面的，应该理解的是，可以使用电极的其他构造，特别是如果将电极25结合到可植入装置中，电极25可以符合该装置的形状。尽管将控制单元15和电极25描述为通过导线直接连接，应该理解的是，可以提供其他耦合装置，例如感性耦合或无线耦合，特别是对于可植入体内装置。

Claims (33)

1.一种对样品中的细胞或细胞结构进行表征的方法，包括：
在至少一个频率范围上获得所述样品的至少一个归一化阻抗响应；以及
使用所述归一化阻抗响应的至少一个特征来对至少一个细胞进行表征。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述频率范围是连续的或准连续的频率范围或者频谱。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述频率范围包括一系列离散的频率测量。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述频率范围是位于0.1Hz和33MHz之间的任意频率范围。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述至少一个细胞是细菌或其他单细胞有机体，和/或所述至少一个细胞是诸如植物或动物组织细胞之类的植物或动物细胞，和/或至少一个细胞按结构排列，所述结构例如是植物或动物组织或者多细胞有机体。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述方法包括在所述至少一个频率范围上获得系统的基线阻抗响应。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在至少两个电极之间的电学路径中实质上没有细胞时，通过测量所述系统在所述频率范围上的阻抗响应，来获得所述基线阻抗响应。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述基线阻抗响应是所述系统的初始的或计算的或估计的或标准的阻抗响应。
9.根据权利要求6所述的方法，其中在至少两个电极之间的电学路径上实质上没有细胞时，通过测量类似和/或标准化的系统在所述至少一个频率范围上的阻抗响应，来获得基线阻抗响应。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述方法包括获得系统在所述至少一个频率范围上的至少一个测量阻抗响应。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在至少两个电极之间的电学路径上引入和/或生长至少一个细胞之后，获得所述系统在所述至少一个频率范围上的至少一个测量阻抗响应。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中获得所述至少一个归一化阻抗响应包括：将系统在所述频率范围中每一频率处的所述至少一个测量阻抗响应除以系统在相应频率的基线阻抗响应。
13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述归一化阻抗响应的所述至少一个特征是归一化阻抗响应在所述频率范围上的至少一个峰的频率和/或峰值大小和/或峰形状。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一个峰用于确定至少一个细胞或细菌系统的生长阶段。
15.根据权利要求14所述的方法，其中随时间跟踪所述归一化系统中至少一个峰的变化，以区分细胞或细菌生长的变化。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的方法，其中归一化阻抗中随频率变化的至少一个峰是细胞或细菌类型和/或生长阶段的特征，并且将所述归一化阻抗用于确定系统中特定细胞、细菌、组织类型或分子副产品的存在。
17.根据任一前述权利要求所述的方法，其中将用于获得归一化阻抗响应的至少两个电极浸没到培养介质中。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述培养介质配置用于促进至少一种类型细胞的生长。
19.根据任一前述权利要求所述的方法，其中使用AC阻抗技术来进行系统的阻抗响应和/或系统的基线阻抗响应和/或系统的归一化阻抗响应的测量。
20.一种对样品中的细胞或细胞结构进行表征的系统，包括：
与控制器相连的至少两个电极，所述控制器适用于经由所述电极在频率范围上获得来自样品的至少一个归一化阻抗响应；并且使用所述归一化阻抗响应的至少一个特征来对至少一个细胞或细胞结构进行表征。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述控制器配置用于利用AC阻抗技术来确定阻抗。
22.根据权利要求20或21所述的系统，其中所述电极适于浸没在生长介质中。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的系统，其中所述电极是金、氯化银或碳电极。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的系统，其中所述电极附加到可植入装置和/或是可植入装置的至少一部分。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述可植入装置是心脏支架、附着至金属固定架(ting)或支架的金属心脏瓣膜或组织瓣膜、血管支架或诸如髋关节之类的可植入关节的金属表面。
26.根据权利要求20-25中任一项所述的系统，其中所述频率范围是位于0.001Hz和33MHz之间的任意频率范围。
27.根据权利要求20或权利要求22-25中任一项所述的系统，其中将dc电压或电流用于确定所述归一化阻抗。
28.根据权利要求20至26中任一项所述的系统，其中所述系统配置用于获得频率范围上的基线阻抗响应。
29.根据权利要求20至26或28中任一项所述的系统，其中所述系统配置用于获得所述频率范围上的至少一个测量阻抗响应。
30.根据权利要求29所述的系统，其中所述至少一个测量阻抗响应包括所述阻抗的实部和虚部，或者只包括阻抗的实部或者只包括阻抗的虚部。
31.根据权利要求29或30所述的系统，其中所述系统适用于通过将系统在所述频率范围中每一个频率处的至少一个测量阻抗响应除以系统在相应频率的基线阻抗响应，来获得所述至少一个归一化阻抗响应。
32.一种包括至少一个电极的可植入装置，所述可植入装置适用于根据权利要求1至19中任一项所述的方法和/或根据权利要求20至31中任一项所述的系统。
33.根据权利要求32所述的可植入装置，其中所述可植入装置是支架、假体或替代器官和/或是具有裸露金属表面或者具有引入的金属表面的任意可植入医疗装置。
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