细胞培养是指在体外构建的人工环境中实现细胞增殖与发育的过程。细胞可在培养容器（如培养皿、微孔板）表面贴壁生长，也能在基质中以悬浮状态生长。
传统检测细胞增殖与活力的方法包括血细胞计数、共聚焦显微镜成像、光学显微镜结合荧光染料染色，以及酶联免疫吸附试验（ELISA）等。
这些手段已成为标准方案，但通常耗时费力，且依赖昂贵的仪器与试剂，难以实现高通量与高效率操作。
荧光染色法等分析手段具有侵入性，不仅过程复杂，还可能损害细胞，影响后续实验观察。
相比之下，阻抗传感技术具备非侵入性、操作简便、检测快速等优势。
该技术通过监测细胞附着、增殖和迁移等活动引起的阻抗变化，实现实时分析。
其原理是施加特定频率的正弦电压，并通过交流电测量电极与细胞间的电容与电阻变化，评估细胞生理状态。当细胞在电极表面附着并铺展时，电流受到阻碍，从而导致阻抗增加。
将阻抗传感器集成于微流控芯片平台，可以实现实时、高效、高通量的细胞监测。如今，从样品采集到分析的全流程已能集成于一块芯片上，利用集成电极完成阻抗分析，提升检测效率。
如下所示为典型的ECIS系统分析细胞体系的示意图。
3D细胞阻抗分析
最初，阻抗谱技术主要用于悬浮液和二维（2D）培养体系的细胞研究。
随着时间推移，2D细胞培养模型的局限性逐渐显现，而三维（3D）细胞培养模型因更好地保留细胞的原始特性、更加接近体内生理状态，得到了广泛应用于各种细胞反应研究。
研究表明，阻抗分析在2D和3D细胞培养体系中均能发挥作用，适用于贴壁细胞和悬浮液中的漂浮细胞。
随着3D细胞培养技术的成熟，这一体系为细胞提供了更具生理相关性的微环境，推动了ECIS（电阻抗细胞传感技术）在3D细胞体系中的应用。
由于3D模型的复杂性远超2D模型，其表征过程更加困难且耗时。
特别是3D结构的厚度会引发散射效应，限制了传统光学技术的使用，而阻抗谱则可以实现对3D培养体系的无创、实时监测，成为光学显微镜和破坏性方法的替代方案。
在2D培养体系中，阻抗检测依赖于细胞贴附在电极表面。
2D模型中的细胞因接触抑制现象，缺乏必要的细胞-细胞和细胞-基质相互作用，难以模拟生理组织中的功能和信号通路。
但是原代细胞在2D环境下培养时容易丧失其表型。
3D培养体系通过将细胞封装于支架中，使其能够在各个方向自由生长，与周围环境相互作用，从而重建细胞与细胞外基质的交互，模拟体内的微环境和稳态。
这种3D模型更贴近体内的细胞行为和药物反应，能够更准确地反映诸如细胞迁移、形态发生及代谢等过程，为生物医学研究和药物筛选提供了更可靠的实验平台。
1)阻抗在3D细胞体系的基础研究
与2D细胞培养不同，3D细胞培养通常需要使用细胞支架，如琼脂糖凝胶或基质胶。这两种材料在成分和特性上存在差异，导致阻抗检测结果也有所不同。
单个活细胞由于细胞膜的存在，被视为非导体。
当细胞聚集形成组织时，细胞间的连接会建立电气通路。在3D培养体系中，施加外部电场时，电流能够穿过凝胶与细胞的混合体系。
细胞的增殖、迁移和活力等动态变化，会通过阻抗变化反映在整个体系的电气通路上。
虽然平面电极已用于3D细胞检测，但其电场分布不够均匀，难以全面表征3D细胞培养物的状态。
电极对结构因能提供更加稳定、均匀的电场，成为3D培养体系中更优的检测方案。目前，常用的电极对结构包括微槽电极对和平行电极对，能够更高效地进行阻抗监测。
2)阻抗在3D细胞体系的应用研究
a)3D细胞生长、增殖
最近的研究中开发了一种微槽阻抗传感器。该传感器通过微槽结构捕获3D细胞，并在微槽壁上设置金电极，实现原位阻抗测量。
随着活细胞数量的变化，细胞与基质胶构建体的阻抗发生相应变化，且二者呈反比关系，从而准确反映出3D细胞的增殖与凋亡情况。
b)3D细胞迁移
细胞迁移是一个由多步骤分子过程高度集成的复杂反应，涉及癌症转移、组织修复、再生及伤口愈合等生物过程。
研究细胞迁移对于解析其背后的分子机制至关重要。癌症高死亡率的重要原因之一正是肿瘤细胞在3D组织中的迁移和侵袭。
量化3D细胞迁移或侵袭的时空动态仍面临挑战。
基于微流控平台的3D细胞培养能够更真实地模拟复杂的肿瘤微环境（TME），提供生理和病理相关的生物及生物物理信息，有效弥合2D体外培养与动物模型之间的差距。
将其与阻抗监测技术结合，可实现非侵入性、实时动态监测，精确分析3D细胞的迁移与侵袭过程。
c)3D细胞活力、药物筛选
化疗耐药性是抗癌治疗中的主要难题，如何根据肿瘤细胞的耐药性快速识别合适药物，成为亟待解决的技术瓶颈。
集成微流控阻抗传感的3D细胞培养系统，凭借高通量、高灵敏度、高准确率和低成本等优势，能够迅速评估多种药物对肿瘤细胞的效果，为精准找到适合不同患者的药物提供支持。
相比传统2D培养模型，3D细胞模型能够模拟更接近人体生理状态的微环境，显著提高药物测试的准确性，因此在抗肿瘤药物筛选等癌症研究领域得到广泛应用。
研究表明，基于阻抗监测所得的化疗毒性数据，通常与传统细胞毒性终点测定结果一致，进一步验证了该技术在药物评估中的可靠性。
ZH_CN 
EN