350 rub
Journal Technologies of Living Systems №2 for 2012 г.
Article in number:
Dieletrophoresis - stages of development
Keywords: dielectrophoresis cell non-uniform alternating electric field polarizability
Authors:
V.M. Generalov, M.V. Kruchinina, A.G. Durumanov, S.A. Kurilovich, A.А. Gromov, A.S. Kozlov, S.B. Malyshkin
Abstract:
The review article presents materials reflecting the current state of dielectrophoresis method as well as the prospects of its application in biology, medicine, virology, microbiology, biotechnology, nanotechnology, etc. The method is based on the phenomenon of polarization of electric charges within the volume of biological particles (cells, bacteria, viruses, etc.) under the influence of external nonuniform alternating electric field (NAEF). The main interrelations in the theory of dielectrophoresis determining the magnitude of force affecting a biological particle in NAEF as well as the polarizability within a wide frequency range are described. The main effects of the cell behavior in NAEF are listed. The relations between the cell structure, function and polarizability are justified logically on the basis of literature data. It has been found out that bacteria, fungi, viruses, DNA and any other biological particles become polarized in electric field. Intact cells are characterized by a high polarization degree, which changes considerably in response to the effects of various external factors including ionic force, ph, ambient temperature and the presence of toxins and viruses in the environment. These factors have a considerable impact on the cell metabolism, shape, size, chemical composition and ultimately its polarizability level. Dielectrophoresis method was used to study different changes in the characteristics of cells in response to the effects of external factors, for example, viruses, antibiotics, ionizing radiation, chemical components and ionic force of an electrolyte. The polarizability level reflects the degree of biological activity of the cell i.e. its ability to perform its function. Polarizability of a destructed cell loses any sense. This method is most successfully used in medicine for noninvasive diagnostics of liver fibrosis based on the analysis of erythrocyte characteristics. A functional scheme of an automated plant for investigation of the properties of biological particles with dielectrophoresis method for medical purposes is presented. It is used to determine the following main parameters of erythrocytes: deformation amplitude [m]; αc is polarizability [m3]; с is the cell hardness [N/m]; ηc is the cell viscosity [Pas*s]; d is the cell dipole moment [C*m]; q is induced charge [C]; Cm is the membrane capacity. The above parameters of erythrocytes allow us to elucidate pathogenetic mechanisms at liver pathology and to place accents in therapy.
Pages: 3-13
References
  1. Ramos A., et al. AC electrokinetics: a review of forces in microelectrode structures // J. Phys. D: Appl. Phys. 1998. V. 31. № 18. P. 2338 - 2353.
  2. Patent № 5814200 (US). Apparatus for separating by dielectrophoresis / R. Pethig, G.H. Markx.
  3. Chang D.C. Cell polarization and cell fusion using an oscillating electric field // Biophys. J. 1989. V. 56. № 4. P. 641 - 652.
  4. Kruchinina M.V., et al. Changes in electric and viscoelastic characteristics of erythrocytes in patients with alcoholic heart damage //J. Global Toxin Review. 2005. October. 08. http://globaltoxinreview.com/portal/
  5. Gascoyne P., et al. Dielectrophoretic detection of changes in erythrocyte membranes following malarial infection // Biochim. Biophys. Acta. 1997. V. 1323. № 2. P. 240 - 252.
  6. Talary M.S., et al. Dielectrophoretic separation and enrichment of CD34+ cell subpopulation from bone marrow and peripheral blood stem cells // Med. Biol. Eng. Comput. 1995. V. 33. № 2. P. 235 - 237.
  7. Zhou X.-F., et al. Differentiation of viable and non-viable bacterial biofilms using electrorotation // Biochim. Biophys. Acta. 1995. V. 1245. P. 85-93.
  8. Donath E., Pastughenko V. Electrophoretic study of cell surfurce properties. Theory and experimental applicability // Bioelectrochem. And Bioener. 1980. V. 7. P. 31 - 40.
  9. Patolsky F., et al. Electrical detection of single viruses // PNAS. 2004. V. 101. № 39. P. 14017 - 14022.
  10. Engelhardt H., Sackmann E. On the measurement of shear elastic moduli and viscosities of erythrocyte plasma membranes by transient deformation in high frequency electric fields // Biophys. J. 1988. V.54. № 3. P. 495 - 508.
  11. Engelhardt H., Gaub H., Sackmann E. Viscoelastic properties of erythrocyte membranes in high-frequency electric fields // Nature (London). 1984. V. 307. № 5949. P. 378 - 380.
  12. Froude V.E., Zhu Y. Dielectrophoresis of functionalized lipid unilamellar vesicles (liposomes) with contrasting surface constructs // J. Phys. Chem. 2009. V. 113. № 6. P. 1552 - 1558.
  13. Hoettges K.F., Dale J.W., Hughes M.P. Rapid determination of antibiotic resistance in E. coli using dielectrophoresis // Phys. Med. Biol. 2007. V. 52. № 19. P. 6001 - 6009.
  14. Hughes M.P. Nanoelectromechanics in Engineering and biology. London, New York, Washington, D.C: CRC PRESS Boca Raton. 2003. 320 p.
  15. Jones T.B. Basic theory of dielectrophoresis and electrorotation // IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. 2003. V. 22. № 6. P. 33 - 42.
  16. Mahaworasilpa T.L., Coster H.G., George E.P. Forces on biological cells due to applied alternating (AC) electric fields. I. Dielectrophoresis // Biochim. Biophys. Acta. 1994. V. 1193. № 1. P. 118 - 126.
  17. Markx G.H., Davey C.L. The dielectric properties of biological cells at radiofrequencies: application in biotechnology // Enzyme Microb. Technol. 1999. V. 25. № 3 - 5. P. 161 - 171.
  18. Markx G.H., Dyda P.A., Pethig R. Dielectrophoretic separation of bacteria using a conductivity gradient // J. Biotechnol. 1996. V. 51. № 2. P. 175 - 180.
  19. Markx G.H., Talary M.S., Pethig R. Separation of viable and non-viable yeast using dielectrophoresis // J. Biotechnol. 1994. V. 32. № 1. P. 29 - 37.
  20. Huang Y., et al. Membrane dielectric responses of human T-lymphocytes following mitogen stimulation // Biochemical et Biophysical Acta. 1999. № 1417. P. 51 - 62.
  21. Washizu M., et al. Molecular dielectrophoresis of biopolymers // IEEE Trans. Ind. Appl. 1994. V. 30. №4. P. 835 - 843.
  22. Morgan H., Hughes M.P., Green N.G. Separation of submicron bioparticles by dielectrophoresis // Biophys. J. 1999. V. 77. № 1. P. 516 - 525.
  23. Kruchinina M.V., et al. Pathogenetic differences in the parameters of erythrocytes and hemostasis in patients with stroke // The 9th World Congress for Microcirculation. Paris. 2010. Р. 83.
  24. Pethig R. Dielectric properties of biological materials: Biophysical and medical applications // IEEE transactions on electrical insulation. 1984. V. EI-19. № 5. P. 453 - 474.
  25. Pohl H.A. Dielectrophoresis: The Behavior of Neutral Matter in Nonuniform Electric Fields. Cambridge: Cambridge University Press. 1978. 579 p.
  26. Pohl H.A. The motion and precipitation of suspensions in divergent electric fields // J. Appl. Phys. 1951. V. 22. № 7. P. 869 - 871.
  27. Ratanachoo K., Gascoyne P.R., Ruchirawat M. Detection of cellular responses to toxicants by dielectrophoresis // Biochim. Biophys. Acta. 2002. V. 1564. № 2. P. 449 - 458.
  28. Schawn Н.P. Electrical properties of tissue and cells suspensions // Adv. Biol. Med. Phys. 1957. V. 5. P.147 - 209.
  29. Shaw D.J. Electrophoresis. N.Y., L.: Acad.press. 1969. 144 p.
  30. Nagai M., et al. Terahertz attenuated time-domain total reflection spectroscopy in water biological solution // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 2006. V. 27. № 4. P. 505 - 515.
  31. Kruchinina M.V., et al. Viscoelastic and electric characteristics of erythrocytes at different degrees of hepatic fibrosis // J. Global Toxin Review. 2007. October. 05. http://globaltoxinreview.com/portal/
  32. Vykoukal J., Gascoyne P.R.C. Dielectrophoretic Concepts for Automated Diagnostic Instruments // Proc. IEEE. 2004. V. 92. № 1. P. 22 - 42.
  33. Washizu M., Kurosawa О. Electrostatic manipulation of DNA in microfabricated structures // IEEE Trans Ind. Appl. 1990. V. 26. № 6. P. 1165 - 1172.
  34. Webb S. J. Factors affecting the induction of lambda prophages by millimetre microwaves // Physics Letter. 1979. V. 73A. № 2. P. 145 - 148.
  35. Генералов В.М. и др. Автоматизированная установка измерения вязкоупругих характеристик эритроцитов // Наукоемкие технологии. 2008. Т. 9. № 12. С. 28 - 33.
  36. Антонов В.Ф., Смирнова Е.Ю., Шевченко Е.В. Липидные мембраны при фазовых превращениях. М.: Наука, 1992. 135 с.
  37. Белик Д.В. Импедансная электрохирургия. Новосибирск: Наука. 2000. 274 c.
  38. Бецкий О.В, Голант М.Б., Девятков Н.Д. Миллиметровые волны в биологии. Cер. Физика. М.: Знание. 1988. 63 с.
  39. Ольшевская Ю.С. и др. Влияние на клетки нервной системы терагерцового (субмиллиметрового) лазерного излучения // Журнал высшей нервной деятельности. 2009. Т. 59. № 3. C. 353 - 359.
  40. Ольшевская Ю.С. и др.  Влияние терагерцового (субмиллиметрового) лазерного излучения на проницаемость клеточных мембран // Вестник НГУ. 2010. Т.5. Вып.4. С. 177 - 181.
  41. Кручинина М.В. и др. Вязкоупругие и электрические характеристики эритроцитов при различной степени фиброза печени // Вестник НГУ. 2005. Т. 3. Вып. 4. С. 43 - 52.
  42. Геннис Г. Биомембраны. Молекулярная структура и функция. М.: Мир. 1997. 431 c.
  43. Девятков Н. Д., Голант М. Б. О перспективах использования электромагнитных излучений миллиметрового диапазона в качестве высокоинформативного средства получения данных о специфических процессах в живых организмах // Письма в ЖТФ. 1985. Т. 12.  Вып. 5. С. 288 - 291.
  44. Девятков Н.Д., Голант М.Б., Реброва Т.Б. Различие в подходе к устранению обратимых и необратимых нарушений организма с помощью когерентных излучений миллиметрового диапазона волн // Миллиметровые волны в медицине и биологии. М.: ИРЭ АН СССР. 1989. С. 106 - 114.
  45. Девятков Н.Д., Голант М.Б., Тагер А.С. Роль синхронизации в воздействии слабых электромагнитных сигналов миллиметрового диапазона волн на живые организмы // Биофизика. 1983. Т. 28. Вып. 5. С. 895 - 896.
  46. Кручинина М.В. и др.  Диэлектрофорез эритроцитов: новые возможности в диагностике непрямых гипербилирубинемий // Бюллетень Сибирского отделения Российской академии медицинских наук. 2009. № 3. С. 29 - 35.
  47. Духин С.С., Дерягин Б.В. Электрофорез. М.: Наука. 1976. 332 с.
  48. Кручинина М.В. и др. Изменение электрические и вязкоупругие свойства эритроцитов пациентов с алкогольным поражением сердца  // Вестник НГУ. 2005. Т. 3. Вып. 1. С. 12 - 20.
  49. Исмайлов Э.Ш. Биофизическое действие СВЧ-излучений. М.: Энергоиздат. 1987. 144 с.
  50. Генералов В.М. и др. Исследование вирус - клеточного взаимодействия методом диэлектрофореза // Доклады академии наук. 2002. Т. 383. Вып. 2. С. 256 - 259.
  51. Козинец Г.И. и др. Клетки крови - современные технологии их анализа. М.:  Триада-фарм. 2002. 200 с.
  52. Кононенко В.Л., Шимкус Я.К. Динамические диэлектродеформации эритро¬цитов // Биологические мембраны.  2002. Т. 19, № 4. С. 309 - 321.
  53. Кручинина М.В. Клинические и патофизиологические характеристики структурно-функциональных свойств эритроцитов при соматической патологии алкогольного и смешанного генеза: Автореф. дисс. - докт. мед. наук. Новосибирск. 2006. 54 с.
  54. Кудряшов Ю.Б., Исмаилов Э.Ш., Зубкова С.М. Биофизические основы действия микроволн. М.: Изд-во МГУ. 1980. 160 с.
  55. Бецкий О.В. и др. Методы измерения диэлектрических биологических сред в терагерцовом диапазоне частот // Биомедицинская радиоэлектроника. 2006. № 12. С. 61-68.
  56. Мирошников А.И., Фомченков В.М., Иванов А.Ю. Электрофизический анализ и разделение клеток. М.: Наука. 1986. 175 c.
  57. Новицкий В.В., Рязанцева Н.В., Степовая Е.А. Физиология и патофизиология эритроцита. Томск: Изд-во ТГУ. 2004. 202 с.
  58. Пастушенко В.Ф., Кузьмин П.И., Чизмачев Ю.А. Диэлектрофорез и электровращение клеток. Единая теория для сферически симметричных клеток с произвольной структурой мембраны // Биологические мембраны. 1988. T. 5. № 1. C. 65 - 78.
  59. Кручинина М.В. и др. Патогенетические варианты реологических нарушений у больных, перенесших инсульт // Сибирский медицинский журнал. 2010. Т.25. Вып. 1. С. 177 - 179.
  60. Кручинина М.В. и др. Патология печени и сердца алкогольного генеза: общность и различия в параметрах эритроцитов // Сборник материалов II съезда терапевтов Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск. 2010. С. 60 - 61.
  61. Потапов А.А. Диэлектрический метод исследования вещества. Иркутск: Изд-во Иркутск. ун-та. 1990. 256 с.
  62. Пресман А.С. Электромагнитные поля и живая природа. М.: Наука. 1968. 288 c.
  63. Мирошников А.И. и др. Разделение клеточных суспензий. М.: Наука. 1977. 168 c.
  64. Смолянская А.З. и др. Резонансные явления при действии электромагнитных волн миллиметрового диапазона на биологические объекты // Успехи современной биологии. 1979. Т.87, № 3. С. 381 - 392.
  65. Сакман Б., Неер Э. Регистрация одиночных каналов. М.: Мир. 1987. 447 с.
  66. Свенсон К., Уэбстер П. Клетка. М.: Мир. 1980. 303 с.
  67. Сторожок С.А., Санников А.Г., Захаров Ю.М. Молекулярная структура мембран эритро¬цитов и их механические свойства. Тюмень. 1997. 140 c.
  68. Кручинина М.В. и др. Структурно-функцио¬нальные параметры эритроцитов у больных с артериальной гипертензией, злоупотребляющих алкоголем // Материалы  2-й Всеросс. научно-практ. конф. «Артериальная гипертония в практике врача терапевта, невролога, эндокринолога и кардиолога». Москва. 2006. С. 78.
  69. Физический энциклопедический словарь. М.: Сов. энциклопедия. 1983. 928 с.
  70. Фокин А.В. Электромагнитные поля в биосфере. М.: Наука. 1984. 374 c.
  71. Харамоненко С.С., Ракитянская А.А. Электрофорез клеток крови в норме и патологии. Минск.: Беларусь. 1974. 143 с.
  72. Черницкий Е.А., Воробей А.В. Структура и функции эритроцитарных мембран. Минск.: Наука и техника. 1981. 260 с.
  73. Чизмаджев Ю.А. Мембранная биология: от липидных бислоев до молекулярных машин // Соровский Общеобразовательный журнал. 2000. № 8. C. 12 - 17.
  74. Шван Х.П., Фостер К.Р. Воздействие высокочастотных полей на биологические системы: Электрические свойства и биофизические механизмы // ТИИЭР. 1980. Т. 68. № 1. С. 121 - 132.
  75. Шлегель Г. Общая микробиология. М.: Мир. 1987. 567 c.
  76. Курилович С.А. и др. Электрические параметры и структура мембран эритроцитов при диффузных заболеваниях печени // Российский журнал гастроэнтерологии, гепатологии. колопроктологии. 2009. Т. XIX. № 2. С. 30 - 36.