3D細胞コンストラクトの空間センシングのためのインピーダンス方法 - 組織工学におけるタワードアプリケーション

大きな3次元（3D）ゼラチン足場内の細胞凝集体の空間位置を検知する方法として、多重化された4末端（4T）インピーダンス測定の特性評価と検証を提示します。測定は、4つの長方形チャンバーの配列を使用して実行され、それぞれに平行解析のために8つのプラチナ針電極がありました。電流噴射および電圧測定の電極位置は、感度フィールド分布と空間分解能を最大化するために、有限要素シミュレーションによって最適化されました。8つの異なる4Tの組み合わせが、空間感度の観点から実験的にテストされました。シミュレートされた感度フィールドは、異なる導電率とサイズがチャンバー内の異なる位置に配置されたオブジェクト（ファントム）を使用して検証されました。これにより、16.5％の検出限界（体積感度）、つまり測定チャンバーのサイズに関して最小の検出可能な体積が得られました。さらに、提示されたすべての電極の組み合わせで250 kHzの共通周波数を見つけることにより、迅速な単一周波数分析の可能性が実証されました。概念の最終的な証明として、高密度のヒト肝芽細胞腫（HEPG2）細胞をゼラチンにカプセル化して人工3D細胞構築物を形成し、大きなゼラチン足場内に異なる位置に配置した場合に検出されました。まとめると、これらの結果は、生物学的に関連する3D環境内の構成要素の空間情報を提供する組織工学アプリケーションにおける非侵襲的モニタリングのためのインピーダンスベースのセンシング技術の新しい視点を開きます。

We present the characterisation and validation of multiplexed 4-terminal (4T) impedance measurements as a method for sensing the spatial location of cell aggregates within large three-dimensional (3D) gelatin scaffolds. The measurements were performed using an array of four rectangular chambers, each having eight platinum needle electrodes for parallel analysis. The electrode positions for current injection and voltage measurements were optimised by means of finite element simulations to maximise the sensitivity field distribution and spatial resolution. Eight different 4T combinations were experimentally tested in terms of the spatial sensitivity. The simulated sensitivity fields were validated using objects (phantoms) with different conductivity and size placed in different positions inside the chamber. This provided the detection limit (volume sensitivity) of 16.5%, i.e. the smallest detectable volume with respect to the size of the measurement chamber. Furthermore, the possibility for quick single frequency analysis was demonstrated by finding a common frequency of 250 kHz for all the presented electrode combinations. As final proof of concept, a high density of human hepatoblastoma (HepG2) cells were encapsulated in gelatin to form artificial 3D cell constructs and detected when placed in different positions inside large gelatin scaffolds. Taken together, these results open new perspectives for impedance-based sensing technologies for non-invasive monitoring in tissue engineering applications providing spatial information of constructs within biologically relevant 3D environments.