[논문 리뷰] Electrical Structure of Biological Cells and Tissues: impedance spectroscopy, stereology, and singular perturbation theory

Bob Eisenberg|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 04.

Neuroscience and Neural Engineering인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 생물학적 세포 및 조직의 전기적 구조를 분석하기 위해 임피던스 스펙트로스코피, 스테레올로지, 그리고 특이 섭동 이론을 융합한 프레임워크를 제시한다. 비선형 시스템의 한계가 있음에도 불구하고, 임피던스 스펙트로스코피는 근육세포, 심장근육, 눈의 수정체와 같은 조직에서 세포막과 세포외 경로를 견고하게 분해할 수 있음을 입증하며, 이는 이분지 모델이 복잡한 조직에서 전기적 거동을 이해하는 데 핵심이 되는 기초 이론으로 발전하고 검증됨을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 임피던스 스펙트로스코피를 주요 분석 도구로 사용하여 생물학적 세포 및 조직의 전기적 구조를 이해하는 것.
• 스테레올로지에서의 구조적 지식을 통합하여 비선형 생물학적 시스템에서 전통적인 선형 분석의 한계를 해결하는 것.
• 세포외 틈새와 관류가 광범위하게 존재하는 조직의 복잡한 전기적 경로를 모델링하기 위해 특이 섭동 이론을 활용한 이론적 프레임워크를 개발하는 것.
• 심장근육 및 눈의 수정체와 같은 조직에서 전기적 거동을 정확히 묘사하기 위해 이분지 모델이 필수적임을 검증하는 것.
• 복잡한 미세구조를 가진 상피세포, 근육 등 다양한 조직에서 전기적 측정을 해석하는 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• 임피던스 스펙트로스코피를 활용해 주파수 의존적이고 상관관계가 없는 변수로 전기적 성질을 분해함으로써 세포막과 세포외 기여도를 정밀하게 분석할 수 있도록 하는 것.
• 특히 세포외 틈새와 관류의 분포 및 연결성을 고려하여 조직의 기하학적 구조를 정량화하기 위해 스테레올로지 방법을 적용하는 것.
• 세포막과 세포외 공간 등 광범위하게 분리된 길이 척도를 가진 시스템에서 전기적 잠재력 분포를 모델링하기 위해 특이 섭동 이론을 활용하는 것.
• 임피던스 스펙트로스코피 데이터와 구조 모델을 융합하여 체성근육 및 심장근육과 같은 조직에서 주요 전류 경로를 추론하는 것.
• 세포내와 세포외의 두 개의 별개의 도전 영역을 가진 조직에 대해 수학적 프레임워크로 이분지 모델을 유도하고 적용하는 것.
• 심장근육 및 눈의 수정체에서 마이크로전극 전압 클램프 및 임피던스 측정의 실험 데이터와 이론적 예측을 대비하여 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 성질을 지닌 생물학적 시스템에 대해 임피던스 스펙트로스코피를 효과적으로 적용할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 세포막 용량과 세포외 틈새 구조가 조직의 전기적 성질에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ3 심장근육 및 눈의 수정체와 같이 복잡한 미세구조를 가진 조직에서 이분지 모델이 전기적 거동을 얼마나 정확히 묘사할 수 있는가?
• RQ4 고전적 마이크로전극 전압 클램프가 심장근육의 관류막의 잠재력을 제어하지 못한 이유는 무엇인가?
• RQ5 스테레올로지는 생물학적 조직에서 임피던스 스펙트로스코피 데이터의 해석을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 체성근육에서 임피던스 스펙트로스코피는 세포막 시스템의 주요 기여를 가장 정확하게 추정하였으며, 전기적 성질에서의 주도적 역할을 드러냈다.
• 심장근육에서는 임피던스 스펙트로스코피를 통해 관류 시스템의 세포막이 분산 저항으로 인해 세포외 공간과 분리되어 있어 고전적 전압 클램프로 제어할 수 없음을 입증하였다.
• 눈의 수정체에서는 임피던스 스펙트로스코피가 전기적 측정의 해석을 근본적으로 변화시켰으며, Rae와 Mathias가 종합적인 실험적 프레임워크를 수립하는 데 기여하였다.
• 심장근육 및 상피세포와 같은 조직에서 광범위한 세포외 틈새와 관류가 존재할 경우 정확한 모델링을 위해 이분지 이론이 필수적임을 보여주었다.
• 이 분석을 통해 도출된 이분지 모델은 생물학적 조직에서 전기적 거동을 이해하는 데 있어 가장 중요한 이론적 기여로 자리매김하였다.
• 임피던스 스펙트로스코피, 스테레올로지, 특이 섭동 이론의 융합은 이전에 다른 방법으로는 확보할 수 없었던 정량적이고 견고한 전류 경로에 대한 통찰을 가능케 하였다.