Обнаружена односторонняя неоднородная электрическая проводимость мембраны клеток буккального эпителия человека и её корреляция с топологией микромеханических свойств.



Интенсивное развитие биоэлектрических интегрированных систем человека в основе которых лежит распространение электрических сигналов в его тканях требует изучения электрических свойств организма на клеточном уровне [1]. В связи с этим, в качестве объекта исследования выступали живые клетки буккального эпителия человека (далее – клетки) полученные методом жидкостной цитологии. Данный метод включал в себя механический забор (соскоб) с внутренней поверхности щеки слизистой оболочки ротовой полости, промывание соскоба в фосфатном буфере (3.03 мМ фосфатного буфера с добавлением 2.89 мМ хлорида кальция объемом 5 мл, pH 7.0), помещение данной смеси в пробирку и сепарирование её содержимого в центрифуге в течении 5 мин с ускорением 1700g (5000 min-1), отбор из центрифужной пробирки аликвоты буферного раствора содержащего взвесь живых клеток буккального эпителия. В качестве подложечного материала использовалась эпитаксиальная структура кремния дырочного p-типа проводимости p- p+- Si{111} с размером неровностей <20 nм.

После помещения аликвоты на эпитаксиальную поверхность кремния Si{111}, осуществлялось её подсушивание на воздухе при нормальном атмосферном давлении и температуре T<=40 С в течении <10 минут. Находящиеся в аликвоте живые клетки естественным образом осаждались на эпитаксиальную поверхность кремния и сохранялись на ней в таком виде в течении 3-4 часов после испарения основного количества влаги. Наличие на поверхности клеток адсорбционного слоя буферного раствора поддерживало их жизнеспособность в течении относительно длительного пребывания на воздухе при нормальных условиях (НУ).

Исследования геометрии рельефа поверхности клеточных оболочек и их электрической проводимости – электронно-дырочного тока растекания Ipr (далее – ток растекания Ipr) осуществлялось на воздухе при НУ с использованием АСМ NTEGRA-AURA со сканирующим предметным столиком в контактном режиме сканирования и разрешении 300x300 точек обеспечивающем постоянный механический и электрический контакт острия иглы кантилевера с постоянной силой прижатия к поверхности проводимого на базе Центра коллективного пользования “Молекулярная структура вещества” Севастопольского государственного университета. В качестве измерительного зонда использовались токопроводящие кантилеверы HA-FM/W2C с радиусом закругления острия иглы r~35 nм. Кантилевер был заземлен.

На поверхности мембран отчетливо видно место расположения клеточного ядра и окружающих его органелл. При этом сама поверхность оболочки не является гладкой, а имеет достаточно развитый рельеф с достаточно развитым морфологическим строением и механической организацией [2, 3].

Исследования выявили одностороннюю неоднородную электронно-дырочную проводимость мембраны клеток буккального эпителия человека. Для определения типа проводимости (электронная или дырочная) необходимо проведение дальнейших исследований.

Анализируя гистограммы распределения N=N(Iprr) можно определить, что мембрана образована областями с разной электрической проводимостью, которые образованы совокупностью более мелких участков с близкими значениями токов растекания Iprf=Iprf(x,y). Исследования показали, что топология данных участков достаточно хорошо совпадает с топологией локальных неровностей рельефа и распределения адгезионных сил по поверхности мембраны Fadh=Fadh(x,y), а также совершаемой ими работы Aadh=Aadh(x,y). Более детальный анализ показал, что пронизывающие мембрану ионные наноканалы обладают в несколько раз более высокой электронно-дырочной проводимостью по сравнению с окружающей их поверхностью. При этом, неоднородность проводимости мембраны частично коррелирует с характером расположения некоторых органоидов клетки. Это указывает на существование электрической связи таких органоидов с клеточной мембраной.

Выявлена односторонняя электрическая проводимость мембраны. Так для Ur<0 средние значения токов <Iprr>=20.8 pA значительно превышают значения <Iprf>=0.01 pA для Uf>0.

Исследования показали, что, в зависимости от состояния клетки, проводимость разных областей клеточной мембраны может меняться в достаточно широких пределах, что может быть использовано для оценки состояния клетки.



Исследования были проведены в соответствии с принципами Хельсинкской декларации. Разрешение на проведение исследований с забором буккального эпителия получено Этическим комитетом Севастопольского государственного университета (исследование № 3, 15 июля 2021 г.).

Буккальный эпителий собирали в соответствии с правилами проведения исследований на материале человека в Российской Федерации. Все субъекты дали письменное информированное согласие.



[1]. Ece Neslihan Aybeke, Sarah Ployon, Marine Brulé, Brice de Fonseca, Eric Bourillot, Martine Morzel, Eric Lesniewska, and Francis Canon. Nanoscale mapping of the physical surface properties of human buccal cells and changes induced by saliva. This: Langmuir 2019, 35, 12647-12655. DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b01979.

[2]. E. Lesniewska, E. Bourillot, D. Carriou, J. Gushina, E. Pudovkina and S.N. Pleskova. The study of living and fixing buccal epitheliocytes morphology by atomic force microscopy. https://www.researchgate.net/publication/277668472.

[3]. N. A. Torhov, A. A. Mosunov, V. A. Novikov & I. V. Ivonin. Study of tribological properties of human buccal epithelium cell membranes using probe microscopy. Scientific Reports. (2022) 12:11302. https://doi.org/10.1038/s41598-022-14807-5.

Unilateral inhomogeneous electrical conductivity of the membrane of human buccal epithelium cells and its correlation with the topology of micromechanical properties were found.



Intensive development of bioelectric integrated human systems based on the propagation of electrical signals in his tissues requires the study of the electrical properties of the body at the cellular level [1]. In this regard, living human buccal epithelial cells (hereinafter referred to as cells) obtained by liquid cytology were used as the object of research. This method included mechanical sampling (scraping) from the inner surface of the cheek of the oral mucosa, washing the scraping in a phosphate buffer (3.03 mM phosphate buffer with the addition of 2.89 mM calcium chloride with a volume of 5 ml, pH 7.0), placing this mixture in a test tube and separating its contents in a centrifuge for 5 minutes with acceleration 1700g (5000 min-1), sampling from a centrifuge tube aliquots of a buffer solution containing a suspension of living buccal epithelial cells. The epitaxial structure of silicon of the p-type hole conductivity p- p+- Si{111} with the size of irregularities <20 pm was used as a substrate material.

After placing the aliquot on the epitaxial silicon surface Si{111}, it was dried in air at normal atmospheric pressure and temperature T<=40 С for <10 minutes. The living cells in the aliquot were naturally deposited on the epitaxial surface of silicon and preserved on it in this form for 3-4 hours after evaporation of the main amount of moisture. The presence of an adsorption layer of buffer solution on the surface of the cells maintained their viability during a relatively long stay in the air under normal conditions (NU).

Studies of the geometry of the surface relief of cell membranes and their electrical conductivity – the electron-hole spreading current Ipr (hereinafter referred to as the spreading current Ipr) were carried out in air at NU using the NTEGRA–AURA AFM with a scanning slide table in contact scanning mode and a resolution of 300x300 points providing constant mechanical and electrical contact of the tip of the cantilever needle with a constant by the force of pressing against the surface of the “Molecular structure of matter” conducted on the basis of the Center for Collective Use Sevastopol State University. Conductive HA-FM/W2C cantilevers with a radius of rounding of the needle tip r~35 pm were used as a measuring probe. The cantilever was grounded.

The location of the cell nucleus and surrounding organelles is clearly visible on the surface of the membranes. At the same time, the shell surface itself is not smooth, but has a sufficiently developed relief with a sufficiently developed morphological structure and mechanical organization [2, 3].

Studies have revealed one-sided inhomogeneous electron-hole conductivity of the membrane of human buccal epithelium cells. To determine the type of conductivity (electronic or hole), further research is necessary.

Analyzing the histograms of the distribution N = N (Iprr), it can be determined that the membrane is formed by regions with different electrical conductivity, which are formed by a set of smaller areas with similar values of spreading currents Iprf =Iprf(x,y). Studies have shown that the topology of these sites coincides quite well with the topology of local terrain irregularities and the distribution of adhesive forces over the membrane surface Fadh=Fadh(x,y), as well as the work performed by them Aadh=Aadh(x,y). A more detailed analysis showed that ion nanochannels penetrating the membrane have several times higher electron-hole conductivity compared to their surrounding surface. At the same time, the heterogeneity of membrane conductivity partially correlates with the nature of the location of some cell organoids. This indicates the existence of an electrical connection of such organoids with the cell membrane.

Unilateral electrical conductivity of the membrane was revealed. So for Ur<0, the average values of currents <Iprr>=20.8 pA significantly exceed the values of <Iprf>=0.01 pA for Uf>0.

Studies have shown that, depending on the state of the cell, the conductivity of different areas of the cell membrane can vary within a fairly wide range, which can be used to assess the state of the cell.



The research was conducted in accordance with the principles of the Helsinki Declaration. Permission to conduct studies with buccal epithelium sampling was obtained by the Ethics Committee of Sevastopol State University (Study No. 3, July 15, 2021).

Buccal epithelium was collected in accordance with the rules for conducting research on human material in the Russian Federation. All subjects have given written informed consent.



[1]. Ece Neslihan Aybeke, Sarah Ployon, Marine Brulé, Brice de Fonseca, Eric Bourillot, Martine Morzel, Eric Lesniewska, and Francis Canon. Nanoscale mapping of the physical surface properties of human buccal cells and changes induced by saliva. This: Langmuir 2019, 35, 12647-12655. DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b01979.

[2]. E. Lesniewska, E. Bourillot, D. Carriou, J. Gushina, E. Pudovkina and S.N. Pleskova. The study of living and fixing buccal epitheliocytes morphology by atomic force microscopy. https://www.researchgate.net/publication/277668472.

[3]. N. A. Torhov, A. A. Mosunov, V. A. Novikov & I. V. Ivonin. Study of tribological properties of human buccal epithelium cell membranes using probe microscopy. Scientific Reports. (2022) 12:11302. https://doi.org/10.1038/s41598-022-14807-5.