第一章 緒論
1.5 文獻回顧
在細胞培養過程中，細胞的貼附(cell adhesion)與延展(cell spreading)是黏著 型細胞的基本生長過程，其中細胞型態的改變在醫療上可以為其病理狀態提供重 要資訊。在定量測量細胞貼附力的研究中，McClay 等人利用改變轉速產生不同 的離心力，使細胞由基材上脫落，再計算出施力前後貼附細胞數目的比例[5]；
Galbraith 與 Sheetz 利用微機械陣列(micromachined array)，藉由彈簧微小的變形 量得到細胞上不同位置的貼附力[6]；細胞刮除也是一種可以量測單一細胞與基 附型細胞行為的團隊[8]，他們將纖維母細胞(fibroblast cell)培養在有小的金工作 電極(≈3×10-4 cm2)與參考電極(≈2 cm2)的培養皿中如圖 1-3，並提供一個小的 AC
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圖 1-3、阻抗量測電極結構[8]。
圖 1-4、阻抗量測系統[8]。
圖 1-5、阻抗量測結果[8]。
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之後 I. Giaever 和 C. R. Keese 更進一步去探討電極上包覆不同的蛋白質與細 胞貼附之間的關係[13-14]，圖 1-6 是電極工作在不同溶液、不同感測面積的條件 下量測所得到的阻抗實部對頻率圖，輸入電壓為 1 V，可以看到頻率在 1 kHz~100 kHz 時面積較大的工作電極具有較大的阻抗實部值，而不同溶液的阻抗實部正規 化值只對阻抗值造成微量的影響，因為在此頻率範圍中，阻抗實部值(resistance) 主要由壓縮電阻值所主導，而壓縮電阻值與頻率無關，與電極面積的平方根成正 比，然而正規化(normalize)後之實部阻抗值則與電極面積無相關，他們由此圖決 定操作頻率為 4000 Hz，當細胞加入表面經過不同蛋白質處理的電極後，可以由 阻抗變化看出細胞對不同的蛋白質有不同的反應如圖 1-7；ECIS 也可觀測出細 胞與溶液中化學物質的反應[15]或是細胞的活動力[16]等。
圖 1-6、不同面積工作電極的阻值與頻率關係[14]。
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圖 1-7、細胞貼附在不同蛋白質表面的阻抗變化[14]。
圖 1-8、阻抗變化量即時觀測細胞的健康狀態[17]。
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ECIS 可以在微米尺寸的小電極中偵測到細胞貼附或是脫離電極，然而有趣 的是，當細胞已經佈滿電極表面時，在阻抗量測中仍可發現阻抗還是隨著時間存 在微小的變化，這些微小的阻抗變化就是來自細胞與電極之間存在奈米尺度的空 間，可見 ECIS 比光學顯微鏡有更好的解析度，能記錄細胞在垂直於電極方向的 活動力，而圖 1-8 則證實了當細胞形成細胞與細胞接合之全面的細胞層時，其活 動力與新陳代謝的關係[17]；當將培養液中的葡萄糖與其他碳來源移除二十個小 時後，細胞幾乎消耗完能量後，會發現阻抗的變化量變小了，當培養液置換為具 有營養來源的溶液時，阻抗的變化量又回到未去除營養源的變化量，由此可推斷 細胞又恢復了活力，此實驗結果說明 ECIS 可由阻抗變化量即時觀測細胞的健康 狀態。
證實 ECIS 可以觀測細胞的活動力後，Giaever 與 Keese 由建立以下模組以更 進一步量化細胞與電極之間的關係[18]：
其中 Zc為細胞貼附後之阻抗值，Zn為細胞貼附前之電極阻抗值，Zm為細胞 本身阻抗值，Rb 為細胞與細胞間造成的阻抗值，γrc是電極與細胞間之阻抗，其 中包含溶液之導電度(ρ)、細胞與電極之間距離(h)與細胞貼附半徑(rc)之變數。
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圖 1-9、模擬細胞與電極間不同貼附狀態的阻抗實部正規化值[18]。
圖 1-10、模擬細胞與細胞間不同貼附狀態的阻抗實部正規化值[18]。
他們以上述之關係式模擬細胞貼附後阻抗值的變化曲線，圖 1-9 為模擬細胞
與電極間不同貼附狀態的阻抗實部正規化值與頻率圖，由圖可見當改變α 值時其
峰值變化並不明顯，而峰值最大值出現的頻率則是產生位移；而圖 1-10 是改變 細胞間阻值所作的模擬圖，當細胞間阻值越大時，其峰值的最大值也越大，而他 們就藉由此模組來分析量測所之阻抗值。
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圖 1-11、阻抗實部正規化值與頻率圖[19]。
I. Giaever 和 C. Keese 將實際量測值與擬合值作圖，如圖 1-11 可見由此模 組的模擬值幾乎可以與實驗值謀合，且將細胞貼附增值完全後量測所得之阻抗實 部值對空白電極阻抗實部值正規化(normalize)後，由正規化值對頻率作圖可見不 同頻率下有不同的阻抗，並可由此值分辨不同細胞 WI-38、WI-38VA13 貼附於電 極上，然而此變化幾乎無法由光學顯微鏡觀察，其中由上式所計算出 WI-38VA13 比 WI-38 具有較大的 Rb 值與 α 值，阻值來源如圖 1-12 所表示。
圖 1-12、細胞貼附電極後阻值來源[19]。
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除了 Giaever 和 Keese 另外還有幾個團隊用不同的電極結構去研究貼附細胞 造成的阻抗變化，例如 Hagedorn 如圖 1-13 將細胞培養於矽膜上之孔洞並利用阻 抗量測，監測細胞活動力[20]及 Wegener[21]、Ehret[22]等人，他們的研究證明了 即使是不同尺寸與結構的微米電極，或是不同的種類的細胞，在很大的頻率範圍 內，都可以用阻抗量測來監測細胞的貼附、延展與活動。表 1-1 是近年來利用 ECIS 方法對細胞進行監測的文獻回顧整理[19, 23-29]。
圖 1-13、細胞培養於矽膜上之孔洞[20]。
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表 1-1、ECIS 文獻回顧。
Topic Title Author Year &
publication name
Attachment
Improving Neuron-to-Electrode Surface Attachment via Alkanethiol Self-Assembly:
An Alternating Current Impedance Study
Slaughter et al.
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(2004)[23]
Invasion
Real-Time Impedance Assay to Follow the Invasive Activities of Metastatic Cells in
Culture
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Toxicology Interaction of Polyelectrolytes and Their
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Cell Substratum
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Motility
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The aryl hydrocarbon receptor repressor is a putative tumor suppressor gene in multiple
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Wound Healing
ADAM-15 inhibits wound healing in human
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