基于阻抗分析的高密度培养下细胞状态实时传感方法研究

The premise and foundation of application in bioartificial liver therapy and evaluation of liver toxicity of drug metabolism is massive hepatocytes expansion. Cell density and status information within the bioreactor will affect the efficacy and the evaluation of reliability directly, so we must have timely adjust the nutrient supply which based on the accessed cell information. At the present, we always apply traditional end point assays to evaluate cell number and status. This method through sampling mouth remove cells, not only easy to cause contamination and increase cell consumption huge in long time. We have discovered a phenomena that impedance and cell density are related in cell microperfusion system experiment, so using bioelectrical impedance assay may online non-destructive real-time analysis cell density and other information in bioreactor. In this study, we propose the project that Real-time cell information sensing in the process of massive cell expansion using bioelectrical impedance assay. We intend to establish a bioreactor cell impedance model, and analysis the electrode configuration through the simulation analysis of electromagnetic field. With this method, we can obtain cell physiological information, reveal the impedance with the correlation between cell density and other information. Constructed the microgravity massive suspension perfusion cell impedance assay system, to solve the question of real-time online evaluation in the process of massive cell expansion, which will lay the foundation for the application of biological artificial liver and liver toxicity of drug metabolism. The project established method has universal significance for monitoring other animal cell expansion process.

生物人工肝中需要功能良好的100亿个以上数量的肝细胞，为了在数小时至数日的治疗过程中在线地维持疗效，须及时获取细胞状态等信息以便调整培养条件或补充肝细胞。目前只能暂停治疗后从生物反应器取出一定量的肝脏细胞送到实验室进行细胞计数和形态学观察，细胞消耗量巨大、且污染风险凸显，也失去闭环调整培养条件的最佳时机。我们生物反应器细胞阻抗测量预实验发现，高密度培养下细胞电阻抗与细胞数量等信息具有相关性，采用阻抗分析法有可能在线、无损地实时获取细胞数量和活性信息。据此，本项目提出基于阻抗分析的高密度培养下细胞状态实时传感方法，拟建立生物反应器细胞阻抗模型，通过电磁场仿真分析电极配置方案，获得细胞数量等信息，揭示电阻抗与细胞数量等信息之间的相关性，建立适用于生物人工肝悬浮灌流培养的细胞阻抗分析方法，解决细胞规模化培养时无法实时在线评估细胞数量及活性的问题，为生物人工肝应用和药物肝毒性代谢奠定基础。

生物人工肝治疗需要功能良好的100亿个以上数量的肝细胞，为了在数小时至数日的治疗过程中在线地维持疗效，须及时获取细胞状态等信息以便调整培养条件或补充肝细胞。目前只能暂停治疗从生物反应器取出一定量的肝脏细胞及送到实验室进行细胞计数和形态学观察，细胞消耗量巨大、且污染风险凸显，也失去闭环调整培养条件的最佳时机。本项目基于细胞阻抗通用模型，分析生物反应器的溶液中包含细胞和不包含细胞时的电路模型，通过理论分析和公式推导得出等效电路的复阻抗表达式，获得高密度培养下的细胞阻抗模型，结果表明当细胞在横轴方向的数量排布达到饱和时，随着细胞数量的不断增加，阻抗的模值减小，而相位角的变化与细胞悬液本身的相位角以及细胞的相位角之间的大小有关。并且，基于细胞的电学特性分析了不同频率电场下的细胞阻抗特性，提出通过扫频的方式获取细胞阻抗频谱信息的方法。基于高密度培养的生物反应器特点，选定四电极法测量生物阻抗信息方法，通过电磁场仿真分析电流激励电极和信号检测电极的放置位置、形状与阻抗测量之间的关系，获得最佳的阻抗测量方案，设计制作注入电流电极、检测电极及专用的生物反应器。根据建立的阻抗测量方法和测量平台进行了细胞实验验证，测量细胞阻抗值，得出细胞数量与电阻抗之间的关系。结果表明，随着细胞数量的增加，阻抗模值减小，相位角值增加。该结果与细胞模型分析中的理论结果一致，证明本套测量系统可用于检测细胞数量的变化。本项目建立的生物反应器高密度培养的细胞数量实时监测新方法有望解决细胞规模化培养时无法实时在线评估细胞数量及活性的问题，为生物人工肝应用和药物肝毒性代谢奠定基础。