細胞バリア機能

生体内では、上皮細胞や内皮細胞のモノレイヤーがバリアーとなっています。これらの細胞レイヤーは、異なる組織間や間質区画間における分子の自由な移動を制御する重要な役割を担っています。多くの疾患や炎症において、これらのバリアは損なわれているため、その透過性を測定することは、細胞生物学者や一般的な医療関係者にとって大きな関心事です。

ほとんどの種類の上皮細胞や内皮細胞はin vitroで培養してモノレイヤーを形成することができ、このコンフルエントな細胞レイヤーがもたらすバリア機能を測定することが可能です。さらに、適切なツールを用いれば、化合物への曝露、シェアストレスなどの物理的変化により細胞環境が変化した際の、細胞層の動的変化を追跡することも可能です。

電流は常に抵抗が最小である経路をたどります。高い交流周波数（40,000 Hz）では、膜のインピーダンス（容量性リアクタンス）は比較的小さく、電流は主に絶縁性の細胞膜を容量結合し、傍細胞路を通過する電流はほとんどありません。一方、交流周波数が低い場合（例では2,000Hz）、膜のインピーダンスが高くなり、電流のほとんどが細胞の下や細胞間の狭い空間（溶液路）を流れるようになります。

この違いの結果、高周波数インピーダンスは細胞の広がりとコンフルエント層の確立をモニターするのに使用でき、低周波数インピーダンスは細胞についての溶液経路、つまり細胞レイヤーのバリア形成をモニターするのに使用できるのです。

上図は、Ca2+またはMg2+の2価イオンのみを含む平衡塩溶液に、時間ゼロで植え付けたMDCK細胞です。細胞増殖は高周波数（40KHz）のキャパシタンスで、バリア形成は低周波数（400Hz）のインピーダンスで測定されました。グラフが示すように、Ca+2 と Mg+2 はともに細胞増殖を起こすが、同じウェルに Ca2+ だけを入れ、Mg+2 を入れない場合、バリアーが形成されることがわかりました。

この図は、隣接する細胞とタイトジャンクションが形成されている上皮細胞の断面を示しています。この例では、多孔質フィルターを細胞基質として示していますが、ECIS金電極基板上に細胞を播種することも同様に可能です。どちらの場合でも、細胞の下には狭い空間があり（青で囲った部分）、そこを通らないとほとんどの電流（またはトレーサー）は細胞間隙（目的の細胞バリア、赤で囲った部分）を通れません。

多くの上皮細胞レイヤーでは、この細胞下通路の影響は狭い細胞外通路に比べて小さく、バリア機能の測定に大きな役割を果たすことはありません。しかし、バリア機能が弱い細胞（例えば、いくつかの内皮層）では、傍細胞路をきれいに測定することが困難になる可能性があります。

幸い、ECISソフトウェア（Giaever and Keese）を使用することで、この2つの側面を分離して測定することが可能です。この機能により、バリア機能（Rb）と細胞下通路（α）の両方の時間経過変化を独立して表示することができます。このモデリングソフトウェアは、ECIS® Z-Thetaに標準装備されています。

この最初の研究以来、4,000Hzでのインピーダンスの抵抗部分は、多くの研究室で内皮透過性のリアルタイムの変化をモニターするために使用されており、このアッセイは多くの論文に掲載されています。ECISは、本アッセイにおけるUsing チャンバーや他のメンブレンフィルター測定に代わる魅力的な方法として、ますます注目されるようになってきています。最小限の労力でバリア機能データを収集できる利便性に加え、この測定にはタグ付き化合物や関連するサンプリング/測定技術が不要であることもその理由です。