[論文レビュー] Electrical Structure of Biological Cells and Tissues: impedance spectroscopy, stereology, and singular perturbation theory

Bob Eisenberg|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2015

Neuroscience and Neural Engineering被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、インピーダンス分光法、立体生物学的解析法、特異的摂動理論を組み合わせたフレームワークを提示し、生物学的細胞および組織の電気的構造を分析する。インピーダンス分光法は非線形系における制限があるものの、骨格筋、心筋、および眼の水晶体において、膜および細胞外経路の解像度が高く、これが双領域理論の構築と検証を可能にした。この理論は、複雑な組織における電気的挙動を理解する基盤として根幹をなすものとなった。

ABSTRACT

Impedance Spectroscopy resolves electrical properties into uncorrelated variables, as a function of frequency, with exquisite resolution. Separation is robust and most useful when the system is linear. Impedance spectroscopy combined with appropriate structural knowledge provides insight into pathways for current flow, with more success than other methods. Biological applications of impedance spectroscopy are often not useful since so much of biology is strongly nonlinear in its essential features, and impedance spectroscopy is fundamentally a linear analysis. All cells and tissues have cell membranes and its capacitance is both linear and important to cell function. Measurements proved straightforward in skeletal muscle, cardiac muscle, and lens of the eye. In skeletal muscle, measurements provided the best estimates of the predominant (cell) membrane system that dominates electrical properties. In cardiac muscle, measurements showed definitively that classical microelectrode voltage clamp could not control the potential of the predominant membranes, that were in the tubular system separated from the extracellular space by substantial distributed resistance. In the lens of the eye, impedance spectroscopy changed the basis of all recording and interpretation of electrical measurements and laid the basis for Rae and Mathias extensive later experimental work. Many tissues are riddled with extracellular space as clefts and tubules, for example, cardiac muscle, the lens of the eye, most epithelia, and of course frog muscle. These tissues are best analyzed with a bidomain theory that arose from the work on electrical structure described here. There has been a great deal of work since then on the bi-domain and this represents the most important contribution to biology of the analysis of electrical structure in my view.

研究の動機と目的

• インピーダンス分光法を主たる分析手法として用い、生物学的細胞および組織の電気的構造を理解すること。
• 立体生物学的手法による構造的知識を統合することで、非線形生物学的系における従来の線形解析の限界を克服すること。
• 膜と細胞外空間のスケールが著しく異なる系をモデル化するため、特異的摂動理論を用いた理論的フレームワークを構築し、広範な細胞外クリフおよび管状構造を有する組織内の複雑な電気的経路を記述すること。
• 心筋や眼の水晶体のような組織における電気的挙動を正確に記述するため、双領域モデルが不可欠であることを検証すること。
• 上皮組織、筋肉、および複雑なマイクロ構造を有する他の組織における電気的測定の解釈の基盤を提供すること。

提案手法

• 周波数依存性で相関のない変数に分離可能なインピーダンス分光法を用い、膜および細胞外寄与の正確な分析を可能にする。
• 特に細胞外クリフおよび管状構造の分布と接続性を定量化するため、立体生物学的手法を適用する。
• 膜と細胞外空間の長さスケールが著しく異なる系における電位分布をモデル化するため、特異的摂動理論を用いる。
• インピーダンス分光法のデータと構造モデルを統合し、骨格筋や心筋のような組織における主な電流経路を推定する。
• 細胞内と細胞外という2つの明確に異なる導電領域を有する組織を記述する数学的フレームワークとして、双領域モデルを導出し適用する。
• 心筋および眼の水晶体におけるマイクロ電極電位クランプ測定とインピーダンス測定の実験データと照合することで、理論的予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生物学的系に内在する非線形性を考慮しても、インピーダンス分光法はどのように効果的に応用可能か？
• RQ2 膜静電容量および細胞外クリフ構造が、組織の電気的特性に果たす役割は何か？
• RQ3 心筋や眼の水晶体のような複雑なマイクロ構造を有する組織において、双領域モデルは電気的挙動をどれほど正確に再現できるか？
• RQ4 古典的マイクロ電極電位クランプが、心筋の管状膜の電位を制御できなかった理由は何か？
• RQ5 立体生物学的手法は、生物学的組織におけるインピーダンス分光法データの解釈をどのように向上させるか？

主な発見

• 骨格筋において、インピーダンス分光法は膜系の主導的役割を最も正確に評価し、電気的特性におけるその支配的役割を明らかにした。
• 心筋において、インピーダンス分光法は管状系の膜が、細胞外空間から分布抵抗によって分離されているため、古典的電位クランプでは制御できないことを示した。
• 眼の水晶体において、インピーダンス分光法は電気的測定の解釈を根本的に変容させ、RaeとMathiasが包括的な実験的枠組みを構築する基盤を提供した。
• 心筋や上皮組織のような組織に広範な細胞外クリフおよび管状構造が存在する場合、正確なモデリングには双領域理論の適用が不可欠である。
• 本分析から導出された双領域モデルは、生物学的組織における電気的挙動を理解するうえで、最も重要な理論的貢献となった。
• インピーダンス分光法、立体生物学的解析法、特異的摂動理論の統合により、他の手法では得られなかった堅牢で定量的な電流経路の知見が得られた。