Помехоустойчивая иммиттансная спектроскопия на основе адаптивной фильтрации и ее применение для исследования одиночных клеток и клеточных популяций in vitro.

Актуальность работы
Электрическая иммиттансная спектроскопия (ЭИС) является мощной экспериментальной техникой, которая сегодня с успехом используется для тестирования электронных приборов, для изучения твердого тела и наноматериалов, включая гетеропереходы, при характеризации электролитов, для диагностики альтернативных источников энергии, а также для исследования биологических объектов - органов, тканей, клеток, белков и т. д. Более того, поскольку ЭИС является неинвазивным неразрушающим неоптическим безметочным и чувствительным методом, который может работать в режиме реального времени и не требует сложного аппаратного обеспечения, ее применение обладает огромным потенциалом для решения актуальных задач биосенсорной инженерии. В частности, благодаря значительному прогрессу, достигнутому в области микроэлектроники в конце XX века, в конце 80-х - начале 90-х гг. была разработана технология импедансного зондирования клеточной популяции (electrcal cell-substrate impedance sensing, ECIS), авторами которой являются лауреат Нобелевской премии Ivar Gi^ver и Charles Keese. В основе данной экспериментальной техники лежит исследование иммиттансного спектра (ИС) покрытого клеточной популяцией электрода (контакта металл/электролит/клетка, МЭК), который располагается на дне культивационной чашки Петри. Поскольку состояние клеточной популяции оказывает значительное влияние на электрические свойства контакта МЭК, временная эволюция его ИС позволяет исследовать скорость деления клеток, определять их количество на электроде, изучать подвижность клеток, оценивать их жизнеспособность, исследовать взаимодействие различных типов клеток друг с другом и т.д. На сегодняшний день технология ECIS и ее аналоги находят не только широкое применение в практической цитологии, например, при изучении процессов заживления ран и при тестировании различных фармакологических препаратов, но и является крайне перспективной платформой как для исследования вирусных и раковых заболеваний, так и для создания гибридных биоэлектронных сенсоров, например на глюкозу.
Степень разработанности темы исследования
Несмотря на описанный в предыдущем разделе успех практического применения технологии ECIS, очевидно, что область ее приложений может быть еще более расширена, если для исследования клеточной популяции использовать не два макроэлектрода (0 100 мкм), как в стандартной геометрии, а массив из микроэлектродов.
Подобная мультиэлектродная измерительная геометрия позволит исследовать не только целую клеточную популяцию, но и каждую отдельную клетку в ней, что, во-первых, повысит чувствительность установки, во-вторых, позволит исследовать пространственное распределение клеток в популяции, и в-третьих, откроет новые перспективы в области изучения взаимодействия различных клеток друг с другом (например раковых и нормальных). Также технологию ECIS можно значительно улучшить, если для получения импеданса электродов использовать не классические частотные методы измерения (например метод синхронного усиления), а современные высокоскоростные временные методы ЭИС, например, метод Фурье-ЭИС. Последняя измерительная техника позволяет просканировать образец одновременно в целой полосе частот, обеспечивая при этом высокое временное разрешение (высокую скорость сбора данных) и высокое частотное разрешение, то есть ИС, измеренный с помощью Фурье-ЭИС, несет значительно больше информации, чем спектр полученный с помощью относительно медленной техники синхронного усиления. Таким образом, переход с почастотной измерительной стратегии в технологии ECIS на временную позволит получать более информативные данные и, следовательно, позволит более детально изучать состояние и поведение клеток в клеточной популяции.
Однако совмещение вышеописанных улучшений технологии ECIS - увеличение пространственного разрешения за счет уменьшения размера электрода и увеличение частотного и временного разрешений за счет использования метода Фурье-ЭИС - встречает на своем пути фундаментальное препятствие, вызванное, с одной стороны, уменьшением соотношения сигнал/шум при работе с безопасными для одиночных клеток плотностями токов (15 мА/см2), и отсутствием шумоподавляющего свойства у Фурье-ЭИС, с другой.
Если различные аппаратные ухищрения для подавления шумов, вроде экранирования или варьирования геометрии электродов, окажутся неприменимыми, ИС, полученный с помощью Фурье-ЭИС, будет искажен шумами, что сильно затруднит его интерпретацию. Данная проблема, в частности, актуальная для имплантируемых ЭИС-датчиков, например, зрительных протезов, в которых ЭИС используется для диагностики интерфейса между сетчаткой и имплантом.
В то же время мощное развитие вычислительной техники, произошедшее в последние три десятилетия, привело к тому, что сегодня многие задачи, связанные с выделением полезного сигнала из зашумленных данных, решаются не только аппаратными средствами, но и с помощью методов цифровой обработки информации, например с помощью калмановской фильтрации и адаптивной фильтрации.
В частности, идея использования АФ для ЭИС ранее упоминалась в работе. Поскольку АФ обладает тем замечательным свойством, что подавляет все нескоррелированные со входными данными. При этом стоит отдельно подчеркнуть, что медленный почастотный метод синхронного усиления, который используется в классической технологии ECIS, обладает высокой устойчивостью к шумам и наводкам. Ее использование для ЭИС может представлять решение для очерченной в конце предыдущего параграфа проблемы совмещения высокого пространственного, частотного и временного разрешений в технологии ECIS. Однако несмотря на успешную реализацию АФ-ЭИС в работе, в ней отсутствуют теоретический анализ АФ-ЭИС, исследование ее помехоустойчивости и ее сравнение с другими методами ЭИС, что и легло в основу первой части настоящей диссертации.
Вторая же часть данной работы является логическим продолжением первой части и посвящена применению разработанной технологии АФ-ЭИС для воплощения в жизнь высокоразрешающей технологии ECIS, ее приложениям для исследования одиночных клеток и клеточных популяций in vitro, а также созданию на ее основе прототипов биосенсоров па цито-токсические вещества, поражающее излучение УФ диапазона и на ферменты.