《Progress in Biophysics and Molecular Biology》：Electric Cell-Substrate Impedance Sensing (ECIS) for the analysis of shear stress effects on cell monolayers
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剪切应力调控内皮细胞行为及ECIS技术联用微流控系统实时监测研究
Fernando Pesantez Torres | Michael Detweiler | Charles R. Keese
纽约州立大学奥尔巴尼分校纳米技术、科学与工程学院纳米科学与工程系，Fuller Road 257号，奥尔巴尼，NY 12203，美国
摘要
剪切应力是一种与系统横截面共面的应力，对细胞行为和功能有着深远的影响。了解细胞如何响应剪切应力对于推进血管生物学、组织工程和癌症转移的研究至关重要。另一方面，电细胞-基底阻抗传感（ECIS）是一种强大的工具，可以实时、无标记地监测细胞行为。本文综述了将ECIS与流动系统结合使用的方法，以实时研究剪切应力对细胞单层的影响，例如其对屏障功能的影响。文章强调了其优势、各种实验设置以及关键的实验结果。
引言
内皮细胞（ECs）是一种上皮细胞，它们覆盖在脊椎动物生物系统的血管和淋巴管壁上，负责调节分子进入周围组织的过程。由于这些细胞位于血管内壁表面，因此会经常受到血液和淋巴流动产生的剪切应力。细胞中的剪切应力被定义为单位面积上由流体流动施加的切向力（Papaioannou等人，2006年），这是血管生物学中的一个关键因素，可调节细胞形态、增殖、迁移和基因表达等过程（Molladavoodi等人，2017年；Chistiakov等人，2017年；Yourek等人，2010年；Ni等人，2011年；Asada等人，2005年）。内皮细胞能够感知剪切应力并将其转化为细胞内信号，从而调节血管张力、重塑和通透性等过程（Zhou等人，2023年；Peng等人，2019年）。这些过程的紊乱可能导致诸如动脉粥样硬化（Tamargo等人，2023年）、静脉曲张（Chandran Latha等人，2021年）或颅内动脉瘤（Morel等人，2021年）等病理状况。为了模拟内皮细胞的典型环境，研究人员使用微流控系统和生物反应器在体外对细胞施加可控的剪切应力（Meng等人，2022年）。传统的研究细胞对剪切应力反应的方法包括平行板流动室和圆锥-平板粘度计（Wong等人，2016年；Ghimire等人，2019年；Chang等人，2017年）。然而，用于测量细胞对剪切应力反应的实验方法通常需要侵入性的标记技术（如染料），并且缺乏实时监测能力，这会限制对细胞行为的深入理解。
电细胞-基底阻抗传感（ECIS）具有与模拟体外剪切应力效应的流体系统结合的潜力。ECIS是一种基于阻抗的实时、无标记技术，可以监测多种细胞行为，包括屏障功能、增殖和形态变化（Giaever和Keese，1991年；Giaever和Charles，1991年；Pesantez Torres等人，2025年）。通过向位于组织培养孔底部的金薄膜电极施加非侵入性交流电，ECIS可以测量由于细胞附着和形态改变引起的阻抗变化。
最近的进展将ECIS与流动系统结合使用，通过专用流动阵列研究剪切应力对细胞的影响。在这些阵列中，细胞单层暴露在可控的剪切应力下，同时ECIS监测其阻抗变化（Yamaguchi等人，2022年；Bevan等人，1990年；DePaola等人，2001年）。这种设置使研究人员能够观察细胞对剪切应力的实时反应，从而深入了解细胞骨架重组和屏障功能调节等动态过程。由于ECIS能够持续监测细胞反应，因此可以量化剪切应力的即时和长期效应。此外，作为一种无标记技术，ECIS不需要标记物或染料，从而避免了实验过程中可能导致的细胞行为异常。本文综述了将ECIS技术与流体系统结合用于研究体外剪切应力的潜力。首先概述了剪切应力的基本概念及其在细胞环境和疾病发病机制中的作用，然后介绍了ECIS的原理及其主要应用，最后讨论了将ECIS与模拟生理剪切条件的流体平台结合的方法，以实现细胞在动态机械力作用下的全面分析。
剪切应力与微流控技术
剪切应力是一种由正常生理过程产生的基本机械力，范围从血液循环到肠道中的粒子流动。理解这些物理相互作用的重要性对于研究细胞反应至关重要。本节讨论了剪切应力在细胞系统和疾病发病机制中的作用，以及用于在体外模拟剪切应力的方法。
ECIS技术及其应用
ECIS是一种多功能技术，可用于研究细胞行为的各个方面。通过测量微电极间的电阻抗变化，ECIS可以实时、无标记地提供关于动态细胞过程的见解。本节讨论了该技术的原理及其多种应用，包括细胞附着、增殖、细胞毒性和屏障功能等。
ECIS与剪切应力的相互作用
如前所述，ECIS在理解细胞行为和过程方面具有广泛的应用，使其成为研究体外细胞剪切应力效应的理想工具。剪切应力会影响内皮细胞的屏障功能，从而影响TEER（屏障功能的指标），这种指标在流动条件下的值可能与静态培养条件下的值不同。通过监测阻抗变化，研究人员可以推断细胞-细胞连接处的变化。
结论与未来展望
在这篇综述中，我们重点关注了ECIS技术与微流控系统的结合，这是实现细胞对剪切应力反应的实时、无标记监测的重要进展。剪切应力在血管生理学和疾病中起着关键作用。将ECIS与可控的流体环境结合使用，使研究人员能够通过连续测量阻抗、电阻和电容来研究内皮功能及其机械转导过程。这些数据为相关研究提供了宝贵的见解。
作者贡献声明
Fernando Pesantez Torres：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念化。
Michael Detweiler：撰写——审阅与编辑。
Charles R. Keese：撰写——审阅与编辑、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
