Die Zellmembran verfügt über zahlreiche Kanäle für den Transport verschiedener Substanzen, darunter auch Ionen, zwischen der Zelle und ihrer Umgebung. Der Ionentransport bestimmt die Ionenaustauschrate (oder den Transmembrantransportkoeffizienten), der wiederum biologische Funktionen wie Nervenerregung, Herzschlag, Muskelkontraktion und Hormonsekretion steuert.
Sie kann auch anisotrop sein, wobei eine ungleichmäßige Verteilung von Ionen unterschiedliche Ionenaustauschraten in unterschiedlichen Richtungen bewirkt. Dieser Effekt ist in heterogenen Geweben ziemlich ausgeprägt. Daher können die Grenzen und Überlappungen von Geweben durch Messung des damit verbundenen anisotropen Transmembrantransports erfasst werden.
Zu diesem Zweck werden häufig Fluoreszenzbildgebung und Patch-Clamp-Verfahren verwendet. Sie messen zwar den anisotropen Transport, schädigen aber auch die Zellmembranstruktur. Daher ist eine nicht-invasive Nachweistechnik erforderlich. Techniken wie die elektrische Impedanzspektroskopie (EIS) können nur den isotropen Transport messen.
Elektrische Impedanztomographie (EIT), eine verbesserte Version von EIS, wurde in Kombination mit einem Ionentransportmodell angewendet, um die Transmembrantransportkoeffizienten zu berechnen. Aber nur für eine gleichmäßige Ionenverteilung.
Kürzlich hat eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Daisuke Kawashima, einem Assistenzprofessor am Institute for Advanced Academic Research der Chiba University, den anisotropen Transmembrantransport gemessen, indem sie die EIT-Technik modifiziert und das Ionentransportmodell verbessert hat. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in Messwissenschaft und -technologie.
Es wurde von zwei Professoren der Chiba University mitverfasst – Masahiro Takei vom Laboratory on Multiphase Flow and Visualization an der Graduate School of Engineering und Takeshi Murata vom Laboratory of Biostructural Chemistry an der Graduate School of Sciences.
Prof. Kawashima erläutert kurz die Forschungsmethodik. „Zunächst wurde eine ungleichmäßige Ionenverteilung um ein Sphäroid – ein Zellaggregat, das Gewebe nachahmt – erzeugt, indem zwei verschiedene Saccharoselösungen von beiden Seiten injiziert wurden. Anschließend wurde die EIT mit einem Mikroelektroden-Array-Sensor durchgeführt, der auf einer Leiterplatte montiert war.“
Die Lösungen hatten drei Konzentrationen, bezogen auf das Zellaggregat: isotonisch, hypotonisch und hypertonisch. Die Technik erzeugte erfolgreich Bilder, die die ungleichmäßige Ionenverteilung aufgrund des anisotropen Transmembrantransports darstellen. Anschließend wandten die Forscher das Ionentransportmodell an, um den zugehörigen Transportkoeffizienten und Anisotropiefaktor zu berechnen.
Letztere betrug 0,34 ± 0,24 in Iso-Hyper-, 0,58 ± 0,15 in Iso-Hypo- und 0,23 ± 0,06 in Hyper-Hypo-Lösungskombinationen. Die Forscher verifizierten diese Ergebnisse, indem sie die Fluoreszenzverhältnisse von Kaliumionen – den am häufigsten am Zellionentransport beteiligten Spezies – um das Zell-Sphäroid herum beobachteten. Sie stimmten mit den EIT-Werten für alle drei Kombinationen überein.
„Folglich bietet die vorgeschlagene EIT-basierte Bildgebungstechnologie eine einfache und nicht-invasive anisotrope Transmembran-Transportmessmethode für Zellen und Gewebe. Sie kann die mit Ionenkanälen verbundene Arzneimittelreaktion sofort messen, was zu effizienteren und kürzeren präklinischen Tests führt“, schließt er Prof. Kawashima.
Das Modell soll als neue Bewertungsplattform für die medizinische Entdeckung dienen, indem es zur Realisierung eines schnellen Arzneimittelentwicklungsprozesses beiträgt.
Mehr Informationen:
Songshi Li et al, Bewertung des anisotropen Transmembran-Transportkoeffizientenvektors von Zell-Sphäroiden unter inhomogenen Ionenkonzentrationsverteilungsfeldern durch elektrische Impedanztomographie, Messwissenschaft und -technologie (2022). DOI: 10.1088/1361-6501/acaa4a
Bereitgestellt von der Universität Chiba