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離散ウェーブレット変換を用いた細胞のマイクロモーションから得られるインピーダンス変動の評価
Use of Discrete Wavelet Transform to Assess Impedance Fluctuations Obtained from Cellular Micromotion.
PMID: 32517325 PMCID: PMC7309086. DOI: 10.3390/s20113250.
抄録
電気細胞-基板インピーダンスセンシング(ECIS)は、組織培養における細胞の挙動をリアルタイムでモニタリングするための魅力的な手法である。ECISで測定される細胞被覆電極の時系列インピーダンス変動は、細胞が細胞-細胞間や細胞-基質接着部位の再配置を繰り返している細胞運動に伴う現象であり、この変動を正確に評価することで、細胞の挙動をリアルタイムで把握することができる。この変動を正確に評価して、生データから有用な情報を抽出することは、科学的にも実用的にも重要である。本研究では、ヒト臍帯静脈内皮細胞(HUVECs)に対するチトチャラシンBの濃度依存性効果を解析するために離散ウェーブレット変換(DWT)を適用した。インピーダンス時系列のサンプリングレートは1Hzで、各データセットは2048点で構成されている。我々の結果は、Daubechies (db)ウェーブレットファミリーにおいて、db1がHUVECの微小運動に対するサイトカラシンBの効果を評価するためのDWTベースの解析に最適なマザーウェーブレット関数であることを示している。レベル1のDWT詳細係数のエネルギー、標準偏差、分散、シグナルマグニチュード面積を計算することで、サイトカラシンBの細胞毒性濃度を0.1μMという低濃度から濃度依存的に有意に区別することができた。さらに、DWTを用いた解析により、マイクロモーション測定のサンプリングレートを1 Hzから1/16 Hzに下げることで、識別力を低下させることなくマイクロモーション測定を行うことが可能であることが示された。DWT詳細係数の統計的測定は、ECISベースのマイクロモーションアッセイにおいて、サンプリングレートとサンプル数の両方を決定するための有効な方法である。
Electric cell-substrate impedance sensing (ECIS) is an attractive method for monitoring cell behaviors in tissue culture in real time. The time series impedance fluctuations of the cell-covered electrodes measured by ECIS are the phenomena accompanying cellular micromotion as cells continually rearrange their cell-cell and cell-substrate adhesion sites. Accurate assessment of these fluctuations to extract useful information from raw data is important for both scientific and practical purposes. In this study, we apply discrete wavelet transform (DWT) to analyze the concentration-dependent effect of cytochalasin B on human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). The sampling rate of the impedance time series is 1 Hz and each data set consists of 2048 points. Our results demonstrate that, in the Daubechies (db) wavelet family, db1 is the optimal mother wavelet function for DWT-based analysis to assess the effect of cytochalasin B on HUVEC micromotion. By calculating the energy, standard deviation, variance, and signal magnitude area of DWT detail coefficients at level 1, we are able to significantly distinguish cytotoxic concentrations of cytochalasin B as low as 0.1 μM, and in a concentration-dependent manner. Furthermore, DWT-based analysis indicates the possibility to decrease the sampling rate of the micromotion measurement from 1 Hz to 1/16 Hz without decreasing the discerning power. The statistical measures of DWT detail coefficients are effective methods for determining both the sampling rate and the number of individual samples for ECIS-based micromotion assays.