电子细胞基质阻抗判断（Electric Cell-substrate Impedance Sensing，ECIS）是一种利用电流变化来侦测受培养之细胞的状态，可以用来作为癌细胞生长、转移、伤口愈合等现象的研究，或是用来测试细胞讯号传递。另外还可观察细胞迁移的详细情形。是非侵入式生检测体外动物细胞物物理方法。

中文名：电子细胞基质阻抗判断

外文名：ECIS

电子细胞基质阻抗判断(ECIS)技术具有纳米敏感性、准确的电创伤再生和在无创情况下进行实时监测的高再现性等优点，其出现为晚期细胞行为研究提供了新见解。然而，我们对使用内皮细胞和ECIS技术对创伤愈合研究中的促血管生成因子却知之甚少。以往的研究表明黄氏和地黄两草药的配方疗法（NF3）在大白鼠慢性创伤模型中可通过一些作用如血管生成对创伤愈合具有显著效果。近日，一项发表在《创伤修复和再生》（WoundRepairandRegeneration）上的研究中，研究者使用ECIS技术，通过人类血管内皮细胞（HECV）的增殖、运动和小管形成情况来对该疗法的血管生成作用和潜在分子学机制进行了研究。

原理

电子细胞基质阻抗判断原理

将小的片状金膜电极放在细胞培养皿的底上，让细胞在电极表面生长，测量细胞的AC阻抗。因为细胞膜的特性使得细胞在电性质上接近绝缘体，所以阻抗会随着电极上细胞的覆盖面积的增加而增大，进而可以测量得到细胞的数据。对于平铺的细胞覆盖膜阻抗主要由细胞的三维形状决定。所以当细胞的形状改变的时候，电流的通路会因之而改变。所以，通过在联系时间里对阻抗进行测量，细胞形态的变化就可以被实时监控并可以用于生物分析。

而因为细胞的形态在很大程度上受到代谢的影响，同时也会被化学物理等刺激因素影响，所以ECIS可以用做很多细胞生物学研究的工具。甚至于在细胞毒性实验以及药物实验中可以做传感器。

发展历程

体外培养细胞所具有的黏附性, 使得贴壁生长在金属微电极上的细胞数量以及形态改变, 都会引起贴壁电极界面阻抗的改变。根据这一特性, Giaever 与Keese 等人首先采用基于微机械加工技术的微电极阵列(micro-elect rode ar ray , MEA), 设计了能实时、连续、定量跟踪哺乳动物细胞形态和增殖分化改变的细胞阻抗测试传感器(elect ric cell-subst rate impedance sensing ,ECIS), 用于细胞与电极间的阻抗测试研究。ECIS 能同时测量多组细胞的电阻变化、膜电容变化, 以及培养细胞与基底膜之间相互关系变化等多种体外培养特性。通过阻抗谱的测量,ECIS 可以实时无损的研究细胞的形态改变, 胞外基质与细胞增殖的关系, 并可用于测量贴壁细胞的迁移等研究。相对于普通光学显微镜和荧光标记观察等传统方法而言, 细胞传感器的阻抗测试使得细胞形态研究更为直观和方便, 并容易获得实时定量的测试结果。在1991 年Giaeve r 和Keese 致力于开发基于ECIS 的细胞动态分析仪, 可为细胞阻抗测试提供芯片和整套系统, 大大简化了细胞动态行为的研究, 扩大了其研究范围。因此, 该系统已被成功的用于检测细胞的黏附、延展、增殖、凋亡等生理病理变化过程, 以及细胞对药物响应的药理与毒理研究等多个领域。

图1 阻抗细胞传感器的测试原理示意图

Giaever 和Keese 等人的最早研究结果表明。 采用交流阻抗方法使得金属微电极表面通过微安级的电流时, 如图1(a)所示, 原来可以直接流经电极表面的电极电流, 由于被培养生长在其表面的细胞所覆盖, 而最终只能从细胞侧面通过电阻间隙区域流过。同时采用微电极阵列, 也就更可以同时测得多组不同细胞与基底间隙阻抗的改变结果。目前比较公认的用电极阵列进行细胞培养前后阻抗分析的模型之一, 是分块单元模型(lump- element model) 。该模型认为, 溶液环境下(图1(b), 未培养细胞之前)的电极阻抗主要包括电极表面的扩散阻抗Zw 和溶液电阻R s 两个部分。培养细胞在电极表面黏附之后(图1(c), 培养细胞之后), 细胞膜一般主要有15 % ～ 20 %表面与电极表面直接黏附接触, 其余部分则与其相距50 nm ～ 150 nm , 形成沟道电阻R gap 。因为由磷脂双分子层膜构成的细胞膜具有高度绝缘性, 所以由细胞覆盖部分流经的电流Acell 就必须从细胞间隙的沟道电阻部分经过, 最终使得Rgap与有细胞部分的阻抗并联, 并与无细胞覆盖部分的阻抗串联。因此实际测得的阻抗值, 主要分为Z(ω)/(A -Acell)和Z(ω)/ Acell 两部分, 并同时与溶液中的溶液电阻串联。由此, 整个系统的阻抗输出便与不同细胞的种类, 细胞的电极黏附率和细胞与电极间的间距等因素相关, 这也就构成了细胞与电极之间阻抗的传感测量原理。