Помехоустойчивая иммиттансная спектроскопия на основе адаптивной фильтрации и ее применение для исследования одиночных клеток и клеточных популяций in vitro тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.02, кандидат наук Ступин Даниил Дмитриевич

• Ступин Даниил Дмитриевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Ступин Даниил Дмитриевич

1.3.2.2. Задача Ье\пе

1.4. Модель С^уег-Кеейе

2. Иммиттаисиая спектроскопия на основе адаптивной фильтрации 52 2.1. Теория

2.1.1. Модель адаптивного фильтра

2.1.2. Связь между иммиттансом и весовыми коэффициентами

2.1.3. Аппаратная и весовая функции

2.1.4. Область применимости АФ-ЭИС

2.1.5. Вычисление весовых коэффициентов

2.1.6. Помехоустойчивость АФ-ЭИС

2.2. Эксперимент. Сравнение с Фурье-ЭИС

2.2.1. Материалы и методы

2.2.2. Результаты и обсуждение

2.2.3. Исследование зависимости шумоподавляющей способности АФ-ЭИС от порядка фильтрации

2.2.4. К вопросу об осцилляторе с качающейся частотой

2.2.5. Виртуальная индуктивность

2.3. Выводы

3. Применение АФ-ЭИС для исследования живых клеток in

vitro

3.1. Введение

3.2. Материалы и методы

3.3. Измерительная установка

3.4. Исследование контакта металл/электролит

3.5. Регистрация одиночных клеток на микроэлектродах в условиях сильного внешнего зашумления

3.6. Оценка жизнеспособности одиночных клеток и клеточных популяций in vitro

3.7. Детектирование цитотоксических веществ

3.8. Сенсор поражающего действия УФ-излучения

3.9. Исследование влияния ферментов на импеданс контакта МЭК. Технология клеточной lift-off литографии

3.9.1. Материалы и методы

3.9.1.1. Клеточная lift-off литография

3.9.1.2. Дизайн эксперимента

3.9.2. Результаты и обсуждение

3.10. Выводы

Основные выводы диссертации

Заключение

Благодарности

Список сокращений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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) [1, 2] является мощной экспериментальной техникой, которая сегодня с успехом используется для тестирования электронных приборов [3-8], для изучения твердого тела и наноматериалов, включая гетеропереходы [9-25], при характеризации электролитов [26-28], для диагностики альтернативных источников энергии [29-31], а также для исследования биологических объектов - органов, тканей, клеток, белков и т. д. [32-38]. Более того, поскольку ЭИС является неинвазивным неразрушающим неоптическим безметочным1 и чувствительным методом, который может работать в режиме реального времени и не требует сложного аппаратного обеспечения [1,2,39-42], ее применение обладает огромным потенциалом для решения актуальных задач биосенсорной инженерии [32-34,43-47]. В частности, благодаря значительному прогрессу, достигнутому в области микроэлектроники в конце XX века, в конце 80-х - начале 90-х гг. была разработана технология импедансно-го зондирования клеточной популяции (electrcal cell-substrate impedance sensing, ECIS), авторами которой являются лауреат Нобелевской премии Ivar Gi^ver и Charles Keese [32,35,43,48]. 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 [32]. Поскольку состояние клеточной популяции оказывает значительное влияние на электрические свойства контакта МЭК [35], временная эволюция

1 Label-free, англ.

его ИС позволяет исследовать скорость деления клеток [49-51], определять их количество на электроде [52,53], изучать подвижность клеток [53,54], оценивать их жизнеспособность [55-58], исследовать взаимодействие различных типов клеток [59-61] 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 [62,63] и при тестировании различных фармакологических препаратов [43,60,62-71], но и является крайне перспективной платформой как для исследования вирусных и раковых заболеваний [72-87], так и для создания гибридных биоэлектронных сенсоров, например на глюкозу [88].

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 Gi^ver и Keese [35], а массив из микроэлектродов [89-100], каждый

0

Подобная мультиэлектродная измерительная геометрия позволит исследовать не только целую клеточную популяцию, но и каждую отдельную клетку в ней, что, во-первых, повысит чувствительность установки [101], 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 [1]), а современные высокоскоростные временные методы ЭИС, например, метод Фурье-ЭИС [39-41]. Последняя измерительная техника позволяет проска-нировать 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) [64], и отсутствием шумоподавляющего свойства у Фурье-ЭИС, с другой.2

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 [102,103].

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 [104,105] и адаптивной фильтрации (АФ) [106,107].

В частности, идея использования АФ для ЭИС ранее упоминалась в работе [31]. Поскольку АФ обладает тем замечательным свойством, что подавляет все нескоррелированные со входными данными шумы и поме-

2При этом стоит отдельно подчеркнуть, что медленный почастотный метод синхронного усиления, который используется в классической технологии ECIS, обладает высокой устойчивостью к шумам и наводкам [1].

хи [106], 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 [31], 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.

Цели и задачи

Таким образом, целью данной работы является разработка ЭИС на основе адаптивной фильтрации и ее применение для создания высокоскоростной и высокоразрешающей технологии исследования одиночных клеток и кле-

in vitro

Для достижения поставленной цели в настоящей диссертации были решены следующие задачи:

1) Теоретическое построение основ АФ-ЭИС и ее экспериментальная апробация:

а) Определение зависимости между параметрами адаптивного фильтра и иммиттансным спектром образца, а также определение аппаратной и весовой функций АФ-ЭИС;

б) Теоретическое и экспериментальное доказательство помехоустойчивости АФ-ЭИС, а также ее экспериментальное сравнение с Фурье-ЭИС;

2) Практическое применение АФ-ЭИС для исследования клеточных по-

in vitro

а) Исследование применимости АФ-ЭИС для изучения свойств контакта металл/электролит/клетка;

б) Сравнение АФ-ЭИС и Фурье-ЭИС как методов оценки жизнеспособности клеточных популяций и одиночных клеток;

в) Применение АФ-ЭИС одиночных клеток для создания прототипов многофункциональных биосенсоров.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач в настоящей диссертации были использованы следующие материалы и методы.

1) В качестве основы для создания АФ-ЭИС был использован временной подход к измерению иммиттанса.

2) Отличительной чертой предлагаемой методики от классического временного подхода на основе Фурье-ЭИС является обработка токового отклика образца и приложенного к нему напряжения с помощью методов адаптивной фильтрации и ее приложений для индентификации неизвестных линейных систем.

3) Построение теории АФ-ЭИС и анализ ее свойств выполнялся с помощью методов цифровой фильтрации, операционного исчисления, преобразования Фурье, аппарата обобщенных функций, методов вычислительной алгебры, теории оптимизации и линейной регрессии, а также с помощью методов анализа обусловленности линейных систем.

4) Практическая аппаратная реализация АФ-ЭИС была выполнена с помощью использования коммерческих доступных приборов [АЦП L-Card Е2010 (Россия) и генератор АКИП-3413-3 (Россия)] и электронных микросхем от Analog Devices (США).

5) Обработка полученных данных осуществлялась в пакете MatLab.

6) В качестве биологического объекта исследования были использованы клетки HeLa.

7) Визуальная диагностика клеток осуществлялась методами флуоресцентной и конфокальной микроскопии с помощью микроскопов Leica 4000DM (Leica, Германия) и Zeiss Observer.ZI (Zeiss, Германия).

8) Исследование клеток с помощью ЭИС базировалось на концепции технологии ECIS.

9) Для обеспечения возможности работы как с одиночными клетками, так и с клеточными популяциями использовались коммерческие мультиэлектродные матрицы от MultiChannel Systems (Германия) и Alpha MED-Panasonic (Япония).

10) Интерпретация получаемых иммиттансных спектров проводилась с помощью теории Gi^ver-Keese.

11) Для исследования физического, химического и биологического воздействия на клетки использовалось УФ-излучение, детергент Тритон Х-100 и раствор трипсин-Версена соответственно.

Положения, выносимые на защиту

• Положение 1. Адаптивная фильтрация в рамках полу-БИХ архитектуры позволяет по экспериментально измеренным временным последовательностям отсчетов зондирующего напряжения и токового отклика образца выразить его адмиттанс с помощью аппроксимации Levy, параметрами которой являются весовые коэффициенты адаптивного фильтра. При этом в качестве весовой функции и аппаратной функции АФ-ЭИС выступают соответственно квадрат модуля зондирующего напряжения и функция Котельникова, которая определяет частотное разрешение АФ-ЭИС как обратное время сбора данных.

и

• Положение 2. При вычислении иммиттансных спектров с помощью АФ-ЭИС ошибка в их определении, так же как и ошибка в определении весовых коэффициентов, убывает обратно пропорционально корню из числа весовых коэффициентов, что позволяет проводить измерения с помощью АФ-ЭИС даже в условиях отрицательного соотношения сигнал/шум, при которых Фурье-ЭИС оказывается неприменимой. Данное шумоподавляющее свойство АФ-ЭИС создает принципиальную возможность исследования одиночных клеток в их естественном состоянии с помощью высокоразрешающей ЭИС в режиме реального времени и в условиях сильного внешнего зашумле-ния, вызванного малыми плотностями безопасных для клеток токов (15 мА/см2), протекающих через микроэлектроды.

•

специфичных электродов, которые обладают сложной, развитой поверхностью, и, как следствие, описываются сложной, псевдоемкостной эквивалентной схемой, состоящей из нескольких R-CPE звеньев.

•

и определять их функциональное состояние в режиме реального времени и в условиях сильного зашумления (соотношение сигнал/шум 1-3 дБ), которое на практике, как правило, возникает из-за необходимости измерения низкоамплитудных, безопасных для клеток токов на фоне помех от различных электронных приборов. В частности, благодаря высокой помехоустойчивости АФ-ЭИС в отличие от Фурье-ЭИС способна детектировать одиночные клетки на поверхности микроэлектрода и статистически достоверно оценивать их жизнеспособность.

•

off литографии биоэлектронные сенсоры, чувствительным элементом которых являются одиночные живые клетки in vitro, не только демонстрируют на порядок более высокое быстродействие, чем классические флуоресцентные датчики, но и благодаря наличию контроль-

ных электродов и использованию широкого диапазона частот позволяют одновременно получать информацию о жизнеспособности и об изменении морфологии клеток и о свойствах окружающей их среды, в частности, проводимости буферного раствора и исправности электродов, что повышает надежность работы АФ-ЭИС сенсоров по сравнению со стандартным КОШ подходом.

Научная новизна

В результате выполнения данной работы был создан новый подход к измерению иммиттанса, в основе которого лежит адаптивная фильтрация -простейший искусственный интеллект. Разработанная измерительная техника позволяет получать иммиттансные спектры образца с высокими временным и частотным разрешениями даже в условиях отрицательного соотношения сигнал/шум (С/Ш),3 что делает ее не только уникальной экспериментальной технологией для исследования физических и химических систем, но и перспективной методикой для решения медико-биологических задач и проблем биосенсорной инженерии. Благодаря вышеописанным свойствам предлагаемая в настоящей диссертации АФ-ЭИС выводит на принципиально новый уровень электрические методы исследования, в том числе импедансные методы диагностики клеточных популяций, поскольку ее применение решает проблему низкого соотношения сигнал/шум, возникающую при изучении микроэлектродов с характерным размером 10 мкм, что позволяет увеличить пространственное разрешение технологии ЕСШ до масштаба одиночных клеток, обеспечивая при этом максимально возможную скорость сбора данных и максимально возможное частотное разрешение получаемых спектров. Апробация подобной концепции высокоразрешающей технологии ЕСК на основе АФ-ЭИС, также выполненная в данной работе, продемонстрировала принципиальную возможность детального исследования таким образом свойств контакта металл/электролит/клетка

£

3В данной работе соотношение сигнал/шум измеряется в децибелах, то есть С/Ш=20^—, где £

- амплитуда полезного сигнала, а N - амплитуда шума. Отрицательное С/Ш означает, что уровень шума превзошел уровень полезного сигнала.

при воздействии на него физических, химических и биологических факторов, в результате чего на ее основе были созданы прецизионные биоэлектронные сенсоры, которые реагируют на опасные для клеток химические соединения, на поражающее действие УФ-излучения и на ферменты.

Теоретическая и практическая значимость

Поскольку разработанный в данной работе метод отличается от стандартного Фурье преобразования только способом обработки данных, он сочетает в себе достоинства Фурье-ЭИС - высокое временное и частотное разрешения - и дополнительно обеспечивает помехоустойчивость измерений, что позволяет проводить на практике исследования ПС в условиях сильного внешнего зашумления с низкими уровнями зондирующего напряжения и токового отклика. С точки зрения теоретической значимости, данные достоинства разработанного метода значительно расширяют возможности ЭИС во всех областях ее применения, в том числе в области создания имплантируемых биосенсоров (например, зрительных и слуховых протезов), для которых использование стандартных аппаратных средств защиты от помех оказывается неприменимо. В то же время с точки зрения практической значимости, предложенное в данной работе улучшение временного, частотного и пространственного разрешений в технологии ECIS при помощи ее совмещения с АФ-ЭИС открывает новые пути для исследования клеточных популяций in vitro, позволяя, в частности, детально исследовать каждую отдельную клетку в популяции, что крайне важно для изучения гетерогенных культур и для изучения взаимодействия клеток друг с другом, для создания платформ экспресс-диагностики заболеваний (например, с помощью детектирования малого количества раковых или инфицированных клеток в образце крови пациента), для оценки целостности клеточной популяции в технологиях клеточной терапии кожи, а также для разработки прецизионных биосенсоров, реагирующих на малые дозы токсинов или поражающего излучения.

Апробация работы

Результаты работы были изложены в девяти научных публикациях, девять из которых индексируются в системе Scopus и семь в системе Web of science (WOS), а также доложены на четырнадцати международных конференциях. Кроме того, достижения настоящей диссертации неоднократно обсуждались на лабораторных семинарах СПбАУ им. Алфёрова, ГУАП, СПИИРАН, СПбПУ, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, ПИЯФ.

Личный вклад автора

Создание предложенной в настоящей работе методики измерения иммит-танса и основанной на ней технологии исследования клеток, разработка ее теории, аппаратной и программной базы, доказательство ее помехоустойчивости, а также ее экспериментальная апробация на примере исследования свойств био-специфичных электродов, клеточных популяций и одиночных клеток in vitro и демонстрация ее достоинств для решения задач биосенсорной инженерии полностью выполнены автором диссертации.

Степень достоверности научных результатов

Достоверность полученных в настоящей работе результатов определяется корректностью и строгостью математических выкладок, а также повторяемостью получаемых экспериментальных иммиттансных спектров, которые находятся в согласии со сторонними методами исследования, выполненными на коммерческих приборах.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, трех глав (одной обзорной и двух основных), раздела с выводами, заключения, раздела с благодарностями и из списка литературы, в который вошло 211 источников на русском, английском и

французском языках. Диссертация изложена на 162 страницах и содержит 38 рисунков, 123 формулы и 8 таблиц.

Глава 1.

Обзор литературы

1.1. Введение

Электрическая имиедаисная спектроскопия (ЭИС) [1,2], основы которой были заложены Оливером Хевисайдом в 1886 году1 [108-110], на сего-дняшпий день развилась в мощную экспериментальную технику, которая используется для диагностики электронных приборов [3,4,111], в исследовании твердого тела [9, 10, 17, 26, 112, 113], при изучении электролитов [27,28,114], для характеризации альтернативных источников энергии [29-31], в экспериментальной биологии [32,34,35], практической медицине [33,72,74,115] и даже в музыкальной индустрии [116,117]. Столь широкий спектр приложений ЭИС обусловлен простотой ее концепции [Рисунок 1.1(a)], которая заключается в измерении токового отклика образца в ответ на приложенное к нему зондирующее напряжение на различных частотах с последующим вычислением комплексного сопротивления (импеданса) или комплексной проводимости (адмиттанса). Часто, чтобы не уточнять о какой именно величине идет речь, используют понятие им-миттанса, которое в зависимости от контекста может означать как импеданс, так и адмиттанс. По анализу иммиттансного спектра (ИС) и по его сопоставлению с какой-либо теоретической моделью (эквивалентной схемой) можно получить макро- и микроскопические свойства исследуе-

1 «Impedance is here, and later, substituted for apparent resistance. It is the ratio of the amplitude of the impressed force to that of the current when their variations are simple-harmonic.» [108]

мого образца. В частности, для контакта метал л/электролит можно получить емкость двойного слоя и концентрацию ионов в электролите [39,118]; для рп-перехода можно получить барьерную емкость, параметры глубоких уровней и длину области пространственного заряда [9,119,120]; для аккумуляторных батарей можно определить степень их зарядки и состояние электролита [31]. Более того, область применения ЭИС не ограничивается только неживой материей и в последнее время все больший интерес приобретают био-приложения ЭИС, которые за свою почти вековую историю [117,121-124] выросли в крайне богатую и бурно развивающуюся отрасль биофизики [33,43,44,47,73,115,125-128]. Столь большой успех био-приложений ЭИС можно объяснить тем, что сама ЭИС является нераз-рушающим, безметочным2 и высокочувствительным методом, который не требует применения сложной и громоздкой аппаратуры (как, например, оптические приборы) и который может быть использован для диагностики в режиме реального времени, что, в частности, делает ее использование крайне перспективным для решения актуальных био-медицинских задач, например, для создания портативных биодатчиков [88,125,129].

Исторически, одно из первых практических биологических применений ЭИС принадлежит Льву Сергеевичу Термену, который в 1922 году в Петрограде в Государственном Физико-Техническом Рентгенологическом Институте (ныне ФТИ им. А.Ф. Иоффе) создал бесконтактный музыкальный инструмент — «терменвокс» [117,121]. Позднее лауреат Нобелевской премии по физике Ivar Gtever воплотил идею использования ЭИС для изучения клеточных популяций в технологии ECIS,3 прибор на основе которой выпускается компанией Applied Biophysics (США) [32]. Система ECIS представляет собой модифицированную чашку Петри, включающую два электрода размером ^100 мкм, на которые высаживается исследуемая клеточная культура и между которыми измеряется ИС. Как будет подробно показано в разделе 1.4, по полученным с помощью ECIS данным можно проводить диагностику состояния клеточной культуры [88], изучать подвижность клеток [43], определять степень покрытия электрода клетка-

2 Label-free, англ.

3 Electrical cell-substrate impedance sensing - нмпедансное зондирование клеточной культуры, англ.

ми [130] и т.п. Технология ECIS нашла широкое применение в фармакологии [63,86,88], при изучении опухолевых тканей [131,132] и процессов заживления ран [63], при исследовании вирусных и бактериальных инфекций [78-83,101,133-136] и т.д.

Столь широкая область применения ЭИС привела к появлению большого числа методов измерения ИС, которые можно разделить на частотные [frequency-domain, Рисунок 1.1(6)] и временные [time-domain, Рисунок 1.1(b)], При частотном подходе исследуемый образец сканируется последовательно на каждой частоте с помощью гармонического зондирующего напряжения, после чего по отношению амплитуды зондирующего напряжения к амплитуде токового отклика находится модуль ИС, а по разности их фаз - аргумент ИС. Для технической реализации такого подхода существует множество инженерных решений: от применения простых мостовых схем до использования синхронного усилителя4 [1]. К достоинствам частотного подхода стоит отнести высокую помехоустойчивость и относительную простоту измерительной аппаратуры, а к недостаткам - длительное время измерений.

Появление алгоритмов быстрого Фурье-преобразования [137,138] и развитие вычислительной техники в последние два десятилетия привело к резкому увеличению интереса к ЭИС во временном представлении (Фурье-ЭИС), которая заключается в нахождении иммиттанса как отношения Фурье-образов временных последовательностей отсчетов зондирующего напряжения и токового отклика [39-41]. Основным преимуществом такого подхода к измерению иммиттансного спектра перед частотным подходом является возможность сканирования образца одновременно в целой полосе частот с помощью зондирующего напряжения с широким спектром, что позволяет проводить измерение ИС с максимально возможными временным и частотным разрешениями [39,42]. Данное достоинство Фурье-ЭИС является критически необходимым для исследования динамических, необратимых систем таких, как, например, электрические аккумуляторы или биологические объекты. К недостаткам Фурье-ЭИС можно отнести слабую помехозащищенность измерений.

4Lock-in amplifier, англ.

V

Z (и)

V (и )

а

(б)

J (и) А

в

Рисунок 1.1 Классификация методов измерения иммиттанса. (а) Общий принцип измерения; (б) формы сигналов, которые используются при измерении И С в частотном представлении; (в) типичные формы сигналов, которые применяются при измерении ИС во временном представлении. Здесь Z(и) - импеданс образца, V(и) - зондирующее напряжение, J(и) - токовый отклик.

Очевидно, что динамические системы в силу своей природы не позволяют проводить статистическое усреднение результатов измерений для подавления шумов [139 141]. Для исследования таких систем в условиях внешнего зашумления можно использовать различные аппаратные ухищрения: экранирование, использование низкошумящей электроники, оптимизацию геометрии образца, его охлаждение и т.п. [1,2]. При этом очевидно, что если аппаратные методы защиты от шумов не приведут к успеху, измеренный ИС будет искажен шумами, что затруднит его интерпретацию или вовсе сделает ее невозможной. В частности, задача измерения ИС в условиях внешнего зашумления крайне актуальна при исследовании

биологических объектов, например, одиночных клеток, поскольку для работы с такими системами необходимо использовать небольшие по амплитуде токи (10-100 нА) [64], которые, с одной стороны, не разрушают сам биологический образец, а с другой стороны, при своем измерении сильно подвержены влиянию шумов. По этой причине в ряде работ, посвященных исследованию одиночных клеток с помощью микроэлектродов и концепции ECIS [34, 64, 101], для измерения ПС так же как и в классическом ЕС IS подходе использовался помехоустойчивый метод синхронного усиления, который обеспечил работу с безопасными для одиночных клеток низкими уровнями зондирующего напряжения (~10 мВ) и токового отклика (~100 нА). Однако методика синхронного усиления, как уже отмечалось, обладает низкой скоростью измерений, и предложенные в [32, 34, 64,101] технологии ЭИС одиночных клеток и клеточных популяций могут быть значительно улучшены, если в них для получения ПС использовать методы ЭИС во временном представлении, поскольку высокая скорость измерения ИС и высокое частотное разрешение данных методов позволят детально исследовать быстрые процессы, происходящих в клетках, например, в момент их гибели. Стоит также отметить, что сокращение времени измерений важно для снижения влияние процесса измерения ИС на функционирование клеток. Однако для реализации такого высокоскоростного и высокоразрешающего ECIS-подхода к исследованию одиночных клеток необходимо преодолеть проблему слабой защищенности Фурье-ЭИС от шумов, о которой говорилось выше.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ступин Даниил Дмитриевич, 2022 год

Список литературы

[1] Barsoukov Е. Impedance spectroscopy: theory, experiment, and applications / Evgenij Barsoukov, J Ross Macdonald. — John Wiley & Sons, 2018.

[2] Lvovich V. F. Impedance Spectroscopy: Applications to Electrochemical and Dielectric Phenomena / Vadim F. Lvovich. — 1 edition. — Wiley, 2012.

[3] Лебедев А.А., Давыдов Д.В. Емкостные измерения в случае сильной зависимости последовательного сопротивления базы диода от приложенного напряжения / Лебедев А.А. и Давыдов Д.В. // Физика и техника полупроводников. 2000. Т. 34, № 1.

[4] Поклонский Н.А., Горбачук Н.И., Шпаковский С.В., Wieck А.. Эквивалентная схема замещения кремниевых диодов, облученных высокими флюенсами электронов / Поклонский Н.А., Горбачук Н.И., Шпаковский С.В., Wieck А. // Журнал технической физики. 2010. Т. 80, № 10. С. 74-82.

[5] Impedance spectroscopy of nanostructure p-ZnGagSe^n-Si heterojunction diode / IS Yahia, M Fadel, GB Sakr et al. // Acta Physica Polonica A. - 2011. - T. 120, № 3. - C. 563-566.

[6] Observation of localized centers with anomalous behavior in light-emitting heterostructures with multiple InGaN/GaN quantum wells / OV Kucherova, VI Zubkov, AV Solomonov, DV Davydov / / Semiconductors. — 2010. — T. 44, № 3. C. 335-340.

[7] Kokorev, M. F. A new approach to the determination of gate

length and other parameters of GaAs MESFETs and MODFETs / Michail F Kokorev, Nicolai A Maleev // Solid-State Electronics. — 1990. T. 39, № 2. — C. 297-302.

[8] Photocurrent and capacitance spectroscopy of Schottky barrier structures incorporating InAs/GaAs quantum dots / PN Brunkov, A Patane, A Levin et al. // Physical Review B. 2002. T. 65, № 8. 0. 085326.

[9] Берман Л.С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках / Берман Л.С. и Лебедев А.А. Науки. Ле-нингр. отд-ние, 1981.

[10] High-permittivity core/shell stuctured NiO-based ceramics and their dielectric response mechanism / Yuanhua Lin, Lei Jiang, Rongjuan Zhao, Ce-Wen Nan // Physical Review B. 2005. T. 72, № 1. 0. 014103.

[11] Jacak, C. L. Quantum Dots / Professor Lucjan Jacak, Dr. Arkadiusz Wojs, Dr. Pawel Hawrylak. NanoScience and Technology. — 1 edition. — Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1998. — C. 83-96.

[12] Optical, structural and electrochromic properties of sputter-deposited W-Mo oxide thin films / Kostadinka Gesheva, Miguel A Arvizu, Georgij Bodurov et al. // Journal of Physics: Conference Series / IOP Publishing. — T. 764. 2016. 0. 012010.

[13] Zubkov, V. Direct observation of resonant tunneling in heterostructure with a single quantum well / VI Zubkov, Iana V Ivanova, M Weyers // Applied Physics Letters. - 2021. - T. 119, № 4. 0. 043503.

[14] Frolov, D. Frequency dispersion of capacitance-voltage characteristics in wide bandgap semiconductor-electrolyte junctions / DS Frolov, VI Zubkov // Semiconductor Science and Technology. — 2016. — T. 31, № 12.— C. 125013.

[15] Nondestructive diagnostics of nanoheterostructures with InGaN/GaN multiple quantum wells by thermal admittance spectroscopy /

OV Kucherova, VI Zubkov, EO Tsvelev et al. // Inorganic Materials. — 2011. T. 47, № 14. — C. 1574-1578.

[16] Admittance spectroscopy as a method for investigating relaxation processes in quantum-sized heterostructures / VI Zubkov, IN Yakovlev, OV Koucherova, TA Orlova // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. — 2011. — T. 75, № 10.-C. 1406-1412.

[17] Frolov, D. Automated instrumentation for nonequilibrium capacitance-voltage measurements at a semiconductor-electrolyte interface / DS Frolov, VI Zubkov // Instruments and Experimental Techniques. — 2017. -T. 60, № 1. — C. 119-121.

[18] Voltage-capacitance and admittance investigations of electron states in self-organized InAs/GaAs quantum dots / VI Zubkov, CM A Kapteyn, AV Solomonov, D Bimberg // Journal of Physics: Condensed Matter. — 2005. T. 17, № 15. — C. 2435.

[19] Ivanova, Y. V. Admittance spectroscopy of nanoheterostructures: computer-controlled data acquisition and modeling of emission processes / Ya V Ivanova, VI Zubkov, OV Derevianko // 2018 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon) / IEEE. - 2018. - C. 1-4.

[20] Characterization of electronic properties of natural type lib diamonds / VI Zubkov, AV Solomnikova, JE Post et al. // Diamond and Related Materials. - 2017. - T. 72. - C. 87-93.

[21] Ivanova, Y. V. Experimental detection of resonant tunneling in the doped structure with a single quantum well by the admittance spectroscopy method / Ya V Ivanova, VI Zubkov, AV Solomonov // Technical Physics Letters. - 2018. - T. 44, № 12.

[22] Ivanova, I. Study of thermionic and tunnel component contribution in conductance of InGaAs/GaAs heterostructures with a single quantum

well by admittance methods / IV Ivanova, VI Zubkov // Materials Physics & Mechanics. — 2019. — T. 41.

[23] Determination of band offsets in strained Inx Ga1-x As/ GaAs quantum wells by capacitance-voltage profiling and Schrodinger-Poisson self-consistent simulation / VI Zubkov, MA Melnik, AV Solomonov et al. // Physical Review B. 2004. T. 70, № 7.-C. 075312.

[24] Zubkov, V. Simulation of capacitance-voltage characteristics of heterostructures with quantum wells using a self-consistent solution of the Schrodinger and Poisson equations / VI Zubkov // Semiconductors. — 2006. -T. 40, № 10. — C. 1204-1208.

[25] Direct observation of charge-carrier capture in an array of self-assembled InAs/GaAs quantum dots / VI Zubkov, IS Shulgunova, AV Solomonov et al. // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. — 2007. —

T 71> № i.-c. 106-108.

[26] Tsai, Y.-T. Nonlinear least-squares analyses of complex impedance and admittance data for solid electrolytes / Y-T Tsai, DH Whitmore // Solid State Ionics. 1982. T. 7, № 2. C. 129-139.

[27] Lelidis, I. Effect of different anionic and cationic mobilities on the impedance spectroscopy measurements / I Lelidis, Giovanni Barbero // Physics Letters A. 2005. T. 343, № 6. C. 440-445.

[28] Barbero, G. Evidence of the ambipolar diffusion in the impedance spectroscopy of an electrolytic cell / Giovanni Barbero, I Lelidis // Physical Review E. 2007. T. 76, № 5. C. 051501.

[29] Set, Y. T. Predictive mechanistic model for the electrical impedance and intensity-modulated photocurrent and photovoltage spectroscopic responses of an organic bulk heterojunction solar cell / Ying Ting Set, Erik Birgersson, Joachim Luther // Physical Review Applied. — 2016. — T. 5, № 5. — C. 054002.

[30] Rau, U. Advanced Characterization Techniques for Thin Film Solar Cells / Uwe Rau, Daniel Abou-Ras, Thomas Kirchartz. — 1 edition. — Wiley-VCH, 2011. — C. 81-105.

[31] Battery state estimator based on a finite impulse response filter / Shuoqin Wang, Mark Verbrugge, Luan Vu et al. // Journal of The Electrochemical Society. ^2013. -T. 160, № 11. -C. A1962-A1970.

[32] Wegener, J. Electric cell-substrate impedance sensing (ECIS) as a noninvasive means to monitor the kinetics of cell spreading to artificial surfaces / Joachim Wegener, Charles R Keese, Ivar Giaever // Experimental cell research. — 2000. — T. 259, № l.-C. 158-166.

[33] Grimnes, S. Bioimpedance and bioelectricity basics / Sverre Grimnes, Orjan G. Martinson. 3 edition. — Academic Press, Elsevier Ltd, 2015.

[34] A multilayer mems platform for single-cell electric impedance spectroscopy and electrochemical analysis / Gregory M Dittami, H Edward Ayliffe, Curtis S King, Richard D Rabbitt // Journal of Microelectromechanical Systems. — 2008. — T. 17, № 4. C. 850-862.

[35] Giaever, I. A morphological biosensor for mammalian cells. / Ivar Giaever, Charles R Keese // Nature. 1993. T. 366, № 6455. C. 591.

[36] McAdams, E. Tissue impedance: a historical overview / ET McAdams, J Jossinet // Physiological measurement. — 1995. — T. 16, № 3A. — C. Al.

[37] Impedimetric dengue biosensor based on functionalized graphene oxide wrapped silica particles / Seon-Ah Jin, Shishir Poudyal, Ernesto E Marinero et al. // Electrochimica Acta. — 2016. — T. 194. — C. 422-430.

[38] Alfinito, E. Role of topology in electrical properties of bacterio-rhodopsin and rat olfactory receptor 17 / E Alfinito, L Reggiani // Physical Review

^2010. — T. 81, № 3. — C. 032902.

[39] Chang, B.-Y. Electrochemical impedance spectroscopy / Byoung-Yong Chang, Su-Moon Park / / Annual Review of Analytical Chemistry. - 2010. T. 3. C. 207-229.

[40] Popkirov, G. A new impedance spectrometer for the investigation of electrochemical systems / GS Popkirov, RN Schindler // Review of scientific instruments. — 1992. — T. 63, № 11. -C. 5366-5372.

[41] Leisner, M. FFT impedance spectroscopy analysis of the growth of anodic oxides on (100) p-Si for various solvents / Malte Leisner, Jiirgen Carstensen, Helmut Foil // Journal of Electroanalytical Chemistry. — 2008. — T. 615, № 2. C. 124-134.

[42] Денди В. Шум как источник информации / В. Денда. — Мир, 1993.

[43] I. Giaever, С. R. Keese (auth.), W. G. Jiang (eds.). Electric Cell-Substrate Impedance Sensing and Cancer Metastasis / I. Giaever, C. R. Keese (auth.), W. G. Jiang (eds.). Cancer Metastasis -Biology and Treatment 17.— 1 edition. — Springer Netherlands, 2012.

[44] P. Wang, Q. Liu. Cell-Based Biosensors: Principles and Applications (Engineering in Medicine & Biology) / P. Wang, Q. Liu. — 1 edition. — 2009.

[45] Probing the bioelectrochemistry of living cells / Larisa-Emilia Cheran, Shilin Cheung, Xiaomang Wang, Michael Thompson // Electrochimica acta. - 2008. - T. 53, № 23. - C. 6690-6697.

[46] Cheung, K. Impedance spectroscopy flow cytometry: On-chip label-free cell differentiation / Karen Cheung, Shady Gawad, Philippe Renaud // Cytometry Part A. 2005. T. 65, № 2. C. 124-132.

[47] Sun, T. Single-cell microfluidic impedance cytometry: a review / Tao Sun, Hywel Morgan // Microfluidics and Xanofluidics. 2010. T. 8, № 4.— C. 423-443.

[48] Electrical method for detection of endothelial cell shape change in real time: assessment of endothelial barrier function / Chinnaswamy Tiruppathi, Asrar B Malik, Peter J Del Vecchio et al. // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 1992. — T. 89, ..V" 17. — C. 7919-7923.

[49] Analysis of impedance-based cellular growth assays / Franziska Witzel, Raphaela Fritsche-Guenther, Nadine Lehmann et al. // Bioinformatics. — 2015. T. 31, № 10. C. 2705-2712.

[50] Disruption of the complex between GAPDH and Hsp70 sensitizes C6 glioblastoma cells to hypoxic stress / Marina A Mikeladze, Elizaveta A Dutysheva, Victor G Kartsev et al. // International journal of molecular sciences. - 2021. - T. 22, A" 4. C. 1520.

[51] Pyrrolylquinoxaline-2-one derivative as a potent therapeutic factor for brain trauma rehabilitation / Elizaveta A Dutysheva, Marina A Mikeladze, Maria A Trestsova et al. // Pharmaceutics. — 2020. T. 12, № 5. — C. 414.

[52] Xiao, C. On-line monitoring of cell growth and cytotoxicity using electric cell-substrate impedance sensing (ECIS) / Caide Xiao, John HT Luong // Biotechnology progress. — 2003. — T. 19, № 3.-C. 1000-1005.

[53] Szulcek, R. Electric cell-substrate impedance sensing for the quantification of endothelial proliferation, barrier function, and motility / Robert Szulcek, Harm Jan Bogaard, Geerten P van Nieuw Amerongen // JoVE (Journal of Visualized Experiments). — 2014. — № 85. — C. e51300.

[54] Sensitizing tumor cells to conventional drugs: HSP70 chaperone inhibitors, their selection and application in cancer models / Vladimir F Lazarev, Dmitry V Sverchinsky, Elena R Mikhaylova et al. // Cell death & disease. - 2018. - T. 9, № 2. - C. 1-11.

[55] Stupin, D. The single cells and cell populations viability estimation

in vitro by the time-domain impedance spectroscopy / DD Stupin // Technical Physics. - 2018. - T. 63, № 9.-C. 1384-1389.

[56] Electrical impedance spectroscopy microflow cytometer for cell viability tests / JJ Gonzälez-Murillo, M Monge-Azemar, J Bartoli et al. // 2018 Spanish Conference on Electron Devices (CDE) / IEEE. — 2018. — C. 1-4.

[57] The real-time monitoring of drug reaction in HeLa cancer cell using temperature/impedance integrated biosensors / Taekyun Yoo, Kyungsuk Lim, Md Tipu Sultan et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. — 2019. — T. 291. C. 17-24.

[58] The xCelligence system for real-time and label-free monitoring of cell viability / Ning Ke, Xiaobo Wang, Xiao Xu, Yama A Abassi // Mammalian Cell Viability. — Springer, 2011. — C. 33-43.

[59] Tran, T. B. Electric cell-substrate impedance sensing (ECIS) with microelectrode arrays for investigation of cancer cell-fibroblasts interaction / Trong Binh Tran, Changyoon Baek, Junhong Min // PloS one_ ^2016. — T. 11, № 4. — C. e0153813.

[60] Real-time bioimpedance sensing of antifibrotic drug action in primary human cells / Maryam Parviz, Priyanka Toshniwal, Helena M Viola et al. // ACS sensors. 2017. T. 2, № 10. C. 1482-1490.

[61] Extracellular Hsp70 reduces the pro-tumor capacity of monocytes/macrophages co-cultivated with cancer cells / Elena Y Komarova, Larisa V Marchenko, Alexander V Zhakhov et al. // International journal of molecular sciences. — 2020. — T. 21, ..V" 1. C. 59.

[62] Asphahani, F. Cellular impedance biosensors for drug screening and toxin detection / Fareid Asphahani, Miqin Zhang // Analyst. ^2007. — T. 132, ..V" 9. — C. 835-841.

[63] Electrical wound-healing assay for cells in vitro / Charles R Keese, Joachim Wegener, Sarah R Walker, Ivar Giaever // Proceedings of the

National Academy of Sciences of the United States of America. — 2004. — T. 101, № G. 0. 1554-1559.

[64] Single-cell bioelectrical impedance platform for monitoring cellular response to drug treatment / Fareid Asphahani, Kui Wang, Myo Thein et al. // Physical biology. — 2011. — T. 8, № l.-C. 015006.

[65] Bioelectronics of the cellular cytoskeleton: Monitoring cytoskeletal conductance variation for sensing drug resistance / Milad Gharooni, Alireza Alikhani, Hassan Moghtaderi et al. // ACS sensors. — 2018. — T. 4, № 2. — C. 353-362.

[66] A hydrocortisone derivative binds to GAPDH and reduces the toxicity of extracellular polyglutamine-containing aggregates / Vladimir F Lazarev, Elena R Mikhaylova, Elizaveta A Dutysheva et al. // Biochemical and biophysical research communications. — 2017. — T. 487, № 3. — C. 723727.

[67] Testing a novel heat-shock protein inducer in the cellular model of traumatic brain injury response / VF Lazarev, EA Dutysheva, MA Trestsova et al. // Cell and Tissue Biology. - 2020. - T. 14, № 1. -C. 52-56.

[68] Synthesis and approbation of new neuroprotective chemicals of pyrrolyl-and indolylazine classes in a cell model of Alzheimer's disease / Elizaveta A Dutysheva, Irina A Utepova, Maria A Trestsova et al. // European Journal of Medicinal Chemistry. — 2021. — C. 113577.

[69] Prevention of high glucose-mediated EMT by inhibition of Hsp70 chaperone / Alina D Nikotina, Snezhana A Vladimirova, Elena Y Komarova et al. // International Journal of Molecular Sciences.— 2021. —T. 22, № 13.-C. 6902.

[70] Delivery of functional exogenous proteins by plant-derived vesicles to human cells in vitro / Luiza Garaeva, Roman Kamyshinsky, Yury Kil et al. // Scientific reports.— 2021.— T. 11, № 1. C. 1-12.

[71] Hsp7Q-containing extracellular vesicles are capable of activating of adaptive immunity in models of mouse melanoma and colon carcinoma / Elena Y Komarova, Roman V Suezov, Alina D Nikotina et al. — 2021.

[72] Comparison of cardiac time intervals between echocardiography and impedance cardiography at various heart rates / Maureen AJM Van Eijnatten, Michael J Van Rijssel, Rob JA Peters et al. // Journal of electrical bioimpedance. — 2019. — T. 5, № 1. — C. 2-8.

[73] Zou, Y. A review of electrical impedance techniques for breast cancer detection / Y Zou, Z Guo // Medical engineering & physics. — 2003. — T. 25, № 2. - C. 79-90.

[74] Brown, B. H. Medical impedance tomography and process impedance tomography: a brief review / Brian H Brown // Measurement Science and Technology. - 2001. - T. 12, № 8. - C. 991.

[75] Universal biosensor for detection of influenza virus / Dawid Nidzworski, Paulina Pranszke, Magda Grudniewska et al. // Biosensors and Bioelectronics. — 2014. — T. 59. C. 239-242.

[76] Miniaturized biosensor for avian influenza virus detection / MF Diouani, S Helali, I Hafaid et al. // Materials Science and Engineering: C. — 2008. -T. 28, № 5-6. — C. 580-583.

[77] Quantitation of influenza A virus in the presence of extraneous protein using electrochemical impedance spectroscopy / Walid Mohamed Hassen, Valérie Duplan, Eric Frost, Jan J Dubowski // Electrochimica acta. — 2011. — T. 56, № 24. — C. 8325-8328.

[78] Monitoring viral-induced cell death using electric cell-substrate impedance sensing / Carmen Elaine Campbell, Morten Motzfeldt Laane, Erlend Haugarvoll, Ivar Giaever // Biosensors and Bioelectronics. — 2007. — T. 23, № 4. — C. 536-542.

[79] McCoy, M. H. Use of electric cell-substrate impedance sensing as a tool for quantifying cytopathic effect in influenza A virus infected MDCK cells in real-time / Morgan H McCoy, Eugenia Wang // Journal of virological methods. — 2005. — T. 130, № 1-2. -C. 157-161.

[80] Pennington, M. R. Electric cell-substrate impedance sensing to monitor viral growth and study cellular responses to infection with alphaherpesviruses in real time / Matthew R Pennington, Gerlinde R Van de Walle // mSphere. - 2017. - T. 2, № 2. - C. e00039-17.

[81] Impedance monitoring of herpes simplex virus-induced cytopathic effect in Vero cells / Sungbo Cho, Sybille Becker, Hagen von Briesen, Hagen Thielecke // Sensors and Actuators B: Chemical. — 2007. — T. 123, № 2. — C. 978-982.

[82] The xCELLigence system for real-time and label-free analysis of neuronal and dermal cell response to Equine Herpesvirus type 1 infection / A Golke, J Cymerys, A Sloriska et al. // Polish journal of veterinary sciences. — 2012.

[83] Real-time cell analysis-a new method for dynamic, quantitative measurement of infectious viruses and antiserum neutralizing activity / Zheng Teng, Xiaozhou Kuang, Jiayu Wang, Xi Zhang // Journal of virological methods. — 2013. — T. 193, № 2.-C. 364-370.

[84] Unique sensing interface that allows the development of an electrochemical immunosensor for the detection of tumor necrosis factor a in whole blood / Cheng Jiang, Muhammad Tanzirul Alam, Saimon Moraes Silva et al. // ACS sensors. — 2016. — T. 1, № 12.— C. 1432-1438.

[85] Etoposide-induced apoptosis in cancer cells can be reinforced by an uncoupled link between Hsp70 and caspase-3 / Dmitry V Sverchinsky, Alina D Nikotina, Elena Y Komarova et al. // International journal of molecular sciences. — 2018. — T. 19, № 9.-C. 2519.

[86] Peptide fragments of Hsp70 modulate its chaperone activity and sensitize tumor cells to anti-cancer drugs / Dmitry V Sverchinsky, Vladimir F Lazarev, Pavel I Semenyuk et al. // FEBS letters. — 2017. — T. 591, № 24. — C. 4074-4082.

[87] Discovery and optimization of cardenolides inhibiting HSF1 activation in human colon HCT-116 cancer cells / Alina D Nikotina, Lidia Koludarova, Elena Y Komarova et al. // Oncotarget. - 2018. - T. 9, № 43. - C. 27268.

[88] Fibroblast cells: a sensing bioelement for glucose detection by impedance spectroscopy / Chaker Tlili, Karine Reybier, Alain Geloön et al. // Analytical chemistry. — 2003. — T. 75, № 14. 0. 3340-3344.

[89] Мультиэлектродные матрицы - новые возможности в исследовании пластичности нейрональной сети / И.В. Мухина, В.Б. Казанцев, Л.Г. Хаспеков и др. // Современные технологии в медицине. — 2009. — № 1.

[90] Closed-loop systems and in vitro neuronal cultures: Overview and applications / Marta Bisio, Alexey Pimashkin, Stefano Buccelli et al. // In Vitro Neuronal Networks. 2019. 0. 351-387.

[91] Emergence of spiking activity in a network of synaptically coupled neurons with axonal delays / Victor В Kazantsev, Irina V Mukhina, Yury V Zaytsev, Marina О Galkina // IFAC Proceedings Volumes. — 2009. T. 42, № 7. — C. 5-10.

[92] Spiking signatures of spontaneous activity bursts in hippocampal cultures / Alexey Pimashkin, Innokentiy Kastalskiy, Alexander Simonov et al. // Frontiers in computational neuroscience. — 2011. — T. 5. — C. 46.

[93] Модель обучения нейронных сетей в культурах клеток гиппокампа in vitro

тематическая биология и биоинформатика. — 2012. — Т. 7, № 2. — С. 545-553.

[94] Experimental platform to study spiking pattern propagation in modular networks in vitro / Yana Pigareva, Arseniy Gladkov, Vladimir Kolpakov et al. // Brain Sciences. - 2021. - T. 11, № G. 0. 717.

[95] Adaptive enhancement of learning protocol in hippocampal cultured networks grown on multielectrode arrays / Alexey Pimashkin, Arseniy Gladkov, Irina Mukhina, Victor Kazantsev // Frontiers in neural circuits. - 2013. - T. 7. - C. 87.

[96] Simple model of complex bursting dynamics in developing networks of neuronal cultures / Dmitriy I Iudin, Ivan Y Tyukin, Alexander N Gorban et al. // IFAC-PapersOnLine. — 2016. — T. 49, № 14. C. 68-73.

[97] Theta rhythm-like bidirectional cycling dynamics of living neuronal

in vitro

et al. // PloS one. - 2018. -T. 13, № 2.-C. e0192468.

[98] Functional connectivity of neural network in dissociated hippocampal culture grown on microelectrode array / AA Gladkov, VN Kolpakov, YI Pigareva et al. // Современные технологии в медицине. — 2017. — Т. 9, № 2 (eng).

[99] Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) counteracts hypoxic

in vitro

Tatiana V Shishkina, Tatiana A Mishchenko, Elena V Mitroshina et al. // Brain research. — 2018. — T. 1678. -C. 310-321.

[100] Динамика вызванной биоэлектрической активности нейронных сетей in vitro

хина // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2011. Л" 2-2.

[101] Jiang, X. Electrochemical impedance biosensor with electrode pixels for precise counting of С 1)4 cells: A microchip for quantitative diagnosis of HIV infection status of AIDS patients / Xingqun Jiang,

Michael G Spencer // Biosensors and Bioelectronics. — 2010. — T. 25, Л'0 7. — C. 1622-1628.

[102] Luo, Y. H.-L. MRI brain scans in two patients with the Argus II retinal prosthesis / Yvonne Hsu-Lin Luo, Indran Davagnanam et al. // Ophthalmology.^ 2013. -T. 120, № 8.-C. 1711-1711.

[103] Искусственное зрение: успехи, проблемы, перспективы / В.В. Нероев, Ю.С. Астахов, М.М. Лобанова, Д.Д. Ступин и др. // Российский офтальмологический журнал. 2018. Т. 11, № 3. О. 3-27.

[104] Hamilton, F. Ensemble Kalman filtering without a model / Franz Hamilton, Tyrus Berry, Timothy Sauer // Physical Review X. — 2016. -T. 6, № 1. — C. 011021.

[105] Experimental demonstration of frequency autolocking an optical cavity using a time-varying Kalman filter / Dirk Schiitte, S. Z. Sayed Hassen, Kai S. Karvinen et al. // Phys. Rev. Applied. — 2016. — Jan. — T. 5. — C. 014005.

[106] Уидроу В., Стирнс С. Адаптивная обработка сигналов / Уидроу В., Стирнс О. Радио и Связь, 1989.

[107] Adaptive noise cancelling: Principles and applications / Bernard Widrow, John R Glover, John M McCool et al. // Proceedings of the IEEE. — 1975. T. 63, № 12. — C. 1692-1716.

[108] Heaviside, O. Electrical papers. Т. 1 / Oliver Heaviside. —1896.

[109] Heaviside, O. Electrical papers / Oliver Heaviside. — Cambridge University Press, 2011. -T. 2.

[110] Macdonald, D. D. Reflections on the history of electrochemical impedance spectroscopy / Digby D Macdonald // Electrochimica Acta. — 2006. — T. 51, № 8-9. — C. 1376-1388.

[111] Lai, W. Fourier analysis of complex impedance (amplitude and phase) in nonlinear systems: A case study of diodes / Wei Lai // Electrochimica Acta. 2010. T. 55, № 19. 0. 5511-5518.

[112] Non-arrhenius conductivity in the fast lithium conductor Lii.2Tii.gAlo.2(P04)3: A 7Li NMR and electric impedance study / К Arbi, M Tabellout, MG Lazarraga et al. // Physical Review B. — 2005. T. 72, № 9. — C. 094302.

[113] Mesin, L. Effects of transducer size on impedance spectroscopy measurements / Luca Mesin, Marco Scalerandi // Physical Review E. — 2012. -T. 85, № 5. — C. 051505.

[114] CPE analysis by local electrochemical impedance spectroscopy / Jean-Baptiste Jorcin, Mark E Orazem, Nadine Pebere, Bernard Tribollet // Electrochimica Acta. — 2006. — T. 51, № 8. C. 1473-1479.

[115] Harikumar, R. Electrical impedance tomography (EIT) and its medical applications: a review / R Harikumar, R Prabu, S Raghavan // Int. J. Soft Comput. Eng. 2013. T. 3, № 4. C. 193-198.

[116] Термен Л.С. Музыкальный инструмент типа «Терменвокс». — Патент № 1048503. -1969.

[117] Ржевкип С.Н. Успехи советской акустики / С.Н. Ржевкип // Успехи физических наук. — 1948. — Т. 34, № 1. — С. 1-12.

[118] Делахей П. Двойной слой и кинетика электродных процессов / Делахей П. — Мир, 1967.

[119] Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников / А.И. Ансельм. — 2008.

[120] Зи С. Физика полупроводниковых приборов / Саймон Мин Зи. Рино.; i Классик, 1973.

[121] Theremin, L. S. The design of a musical instrument based on cathode relays / Leon S Theremin, Oleg Petrishev // Leonardo Music Journal. — 1990. T. 6, № 1. 0. 49-50.

[122] Curtis, H. J. Transverse electric impedance of Nitella / Howard J Curtis, Kenneth S Cole // The Journal of general physiology. — 1937. — T. 21, j\fo 2. — C. 189-201.

[123] Cole, K. S. Electric impedance of suspensions of spheres / Kenneth S Cole // The Journal of general physiology. — 1928. — T. 12, ..V" 1. C. 29-36.

[124] K. S. Cole. Electric impedance of suspensions of Arbacia eggs / K. S. Cole // The Journal of general physiology. — 1928. — T. 12, № 1. — C. 37-54.

[125] Bioimpedance spectroscopy: Basics and applications / Daniil D Stupin, Ekaterina A Kuzina, Anna A Abelit et al. // ACS Biomaterials Science & Engineering. — 2021. — T. 7, № 6.-C. 1962-1986.

[126] Bayford, R. H. Bioimpedance tomography (electrical impedance tomography) / Richard H Bayford // Annu. Rev. Biomed. Eng. — 2006. — T. 8. — C. 63-91.

[127] A review of impedance measurements of whole cells / Youchun Xu, Xinwu Xie, Yong Duan et al. // Biosensors and Bioelectronics. — 2016. — T. 77. — C. 824-836.

[128] Cell-based biosensors and their application in biomedicine / Qingjun Liu, Chunsheng Wu, Hua Cai et al. // Chemical reviews. — 2014. — T. 114, ..V" 12. — C. 6423-6461.

[129] Banerjee, P. Mammalian cell-based biosensors for pathogens and toxins / Pratik Banerjee, Arun K Bhunia // Trends in biotechnology. — 2009. — T. 27, № 3. C. 179-188.

[130] Schiller, K. R. Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator is involved in airway epithelial wound repair / Katherine R Schiller, Peter J Maniak, Scott M O'Grady // American Journal of Physiology-Cell Physiology.^ 2010. -T. 299, № 5.-C. C912-C921.

[131] Mondal, D. Extended electrical model for impedance characterization of cultured HeLa cells in non-confluent state using ECIS electrodes / D Mondal, C RoyChaudhuri // IEEE transactions on nanobioscience. — 2013. T. 12, № 3. — C. 239-246.

[132] A detailed model for high-frequency impedance characterization of ovarian cancer epithelial cell layer using ECIS electrodes / Abdur Rub Abdur Rahman, Chun-Min Lo, Shekhar Bhansali et al. // IEEE transactions on biomedical engineering. — 2009. — T. 56, № 2. — C. 485 492.

[133] Serum from dengue virus-infected patients with and without plasma leakage differentially affects endothelial cells barrier function in vitro / Francielle Tramontini Gomes de Sousa Cardozo, Gyulnar Baimukanova, Marion Christine Lanteri et al. // PloS one. - 2017. - T. 12, № 6.

[134] Japanese encephalitis virus disrupts blood-brain barrier and modulates apoptosis proteins in THBMEC cells / Mazen M Jamil Al-Obaidi, Azadeh Bahadoran, Lee Sau Har et al. // Virus research. — 2017. — T. 233 _ q 17-28.

[135] A 3D-impedimetric immunosensor based on foam Ni for detection of sulfate-reducing bacteria / Yi Wan, Dun Zhang, Yi Wang, Baorong Hou // Electrochemistry communications. — 2010. — T. 12, № 2.-C. 288-291.

[136] An evaluation of the impact of clinical bacterial isolates on epithelial cell monolayer integrity by the electric cell-substrate impedance sensing (ECIS) method / Md A Nahid, Carmen E Campbell, Keith SK Fong et al. // Journal of Microbiological Methods. - 2020. - T. 169. -C. 105833.

[137] Brigham, E. О. The fast Fourier transform: An introduction to its theory and application / E. Oran Brigham. — Prentice-hall edition. — Prentice Hall, 1973.

[138] Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Э.Г. Назаренко, Н.Н. Тетекина, Л. Рабинер, Б. Гоулд. Перевод с английского А.Л. Зайцева. Мир. 1978.

[139] Hieftje, G. Signal-to-noise enhancement through instrumental techniques. II. signal averaging, boxcar integration, and correlation techniques / GM Hieftje // Analytical chemistry. — 1972. — T. 44, № 7.-C. 09A 78a.

[140] Ивченко Г.И. Введение в математическую статистику / Г.И. Ивченко, Ю.И. Медведев — ЛКИ, 2010.

[141] Чернова Н.И. Теория вероятностей / Н.И. Чернова // Учебное пособие. Новосибирск: Новосибирский гос. ун-т. — 2007.

[142] Chassande-Mottin, Е. Adaptive filtering techniques for gravitational wave interferometric data: Removing long-term sinusoidal disturbances and oscillatory transients / E. Chassande-Mottin, S. V. Dhurandhar // Phys. Rev. D. - 2001. 1. T. 63. C. 042004.

[143] Adaptive filtering to enhance noise immunity of impedance and admittance spectroscopy: Comparison with Fourier transformation / Daniil D. Stupin, Sergei V. Koniakhin, Nikolay A. Verlov, Michael V. Dubina // Phys. Rev. Applied. - 2017. - May. — T. 7. -C. 054024.

[144] Macdonald, D. D. Impedance measurements in electrochemical systems / Digby D Macdonald, Michael CH McKubre // Modern aspects of electrochemistry. — Springer, 1982. — C. 61-150.

[145] Микусинский Ян. Операторное исчисление / Ян Микусинский . — ИЛ, 1956.

[146] Dryden, M. D. DStat: A versatile, open-source potentiostat for electroanalysis and integration / Michael DM Dryden, Aaron R Wheeler // PloS one. ^2015. -T. 10, № 10. -C. e0140349.

[147] Berberian, J. G. Low frequency bridge for guarded three-terminal and four-terminal measurements of admittance / John G Berberian, Robert H Cole // Review of Scientific Instruments. — 1969. — T. 40, № 6. — C. 811-817.

[148] Новиков Ю.Н. Электротехника и электроника / Ю.Н. Новиков. — 2005.

[149] Synthesis of core-shell structured AU@B^S3 nanorod and its application as DNA immobilization matrix for electrochemical biosensor construction / Feng Gao, Juan Song, Bin Zhang et al. // Chinese Chemical Letters. — 2020. — T. 31, № l.-C. 181-184.

[150] Wang, Y. Direct electrochemical DNA biosensor based on reduced graphene oxide and metalloporphyrin nanocomposite / Yaqiong Wang, Helene Sauriat-Dorizon, Hafsa Korri-Youssoufi // Sensors and Actuators B: Chemical. — 2017. — T. 251. C. 40-48.

[151] Sensitive electrochemical DNA sensor for the detection of HIV based on a polyaniline/graphene nanocomposite / Qiaojuan Gong, Haixia Han, Haiying Yang et al. // Journal of Materiomics. — 2019. — T. 5, № 2. — C. 313-319.

[152] Xia, J. A sensitive electrochemical impedance DNA biosensor based on ZnO nanorod electrodes for BCR/ABL fusion gene detection / JY Xia, Jing Qing, J J Liu // Int. J. Electrochem. Sei. 2019. Т. 14. С. 42714279.

[153] Ultrasensitive electrochemical impedance detection of mycoplasma agalactiae DNA by low-cost and disposable Au-decorated NiO nanowall electrodes / Mario Urso, Serena Tumino, Elena Bruno et al. // ACS Applied Materials & Interfaces. - 2020. - T. 12, № 44. - C. 50143-50151.

[154] Ни, В. Y.-K. Kramers-Kronig in two lines / Ben Yu-Kuang Ни // Am. •I. Phys. - 1989. - T. 57, № 9. 0.821.

[155] Stupin, D. An inexpensive MP3-Player based 45-kHz band noise generator for engineering and scientific applications / DD Stupin, SV Koniakhin, NA Verlov // JPhCS. — 2018. — T. 1038, № l.-C. 012038.

[156] Faulkner L.R., Bard A.J. Electrochemical methods / Faulkner L.R., Bard A.J. - Wiley, 2001.

[157] Gouy, M. Sur la constitution de la charge électrique à la surface d'un électrolyte / M Gouy. // J. Phys. Theor. Appl. 1910.

[158] Chapman, D. L. A contribution to the theory of electrocapillarity / David Leonard Chapman // The London, Edinburgh, and Dublin philosophical magazine and journal of science. — 1913. — T. 25, № 148. — C. 475-481.

[159] Stern, O. The theory of the electrolytic double-layer / Otto Stern // Z. Elektrochem. - 1924. - T. 30, № 508. - C. 1014-1020.

[160] Schwarzenbach, D. Crystallography / Dieter Schwarzenbach. — 1 edition. — John Wiley, 1996.

[161] Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия: Учебное пособие / Л.И. Антропов. Высшая школа, 1965.

[162] Stupin, D. How to take fractional-order derivative experimentally? / DD Stupin, AI Lihachev, AV Nashchekin // Journal of Physics: Conference Series / IOP Publishing. -T. 1124. 2018. C. 071011.

[163] Martin, M. Influence of experimental factors on the constant phase element behavior of Pt electrodes / MH Martin, A Lasia // Electrochimica Acta. - 2011. - T. 56, № 23. - C. 8058-8068.

[164] Singh, M. B. Debye-Falkenhagen dynamics of electric double layer in presence of electrode heterogeneities / Maibam Birla Singh,

Rama Kant // Journal of Electroanalytical Chemistry. — 2013. — T. 704. C. 197-207.

[165] Birla Singh, M. Theory of anomalous dynamics of electric double layer at heterogeneous and rough electrodes / Maibam Birla Singh, Rama Kant // The Journal of Physical Chemistry C. - 2014. - T. 118, № 10. - C. 51225133.

[166] Liu, S. Fractal model for the AC response of a rough interface / SH Liu // Physical Review Letters. - 1985. - T. 55, № 5. - C. 529.

[167] Kerner, Z. On the origin of capacitance dispersion of rough electrodes / Zsolt Kerner, Tamas Pajkossy // Electrochimica Acta. — 2000. — T. 46, Л'° 2-3. — С. 207-211.

[168] Секушин H.A. Свойства диффузионных импедансов Варбурга и Ге-ришера в области низких частот / Н.А. Секушин // Известия Коми научного центра УРО РАН. 2010. Л'° 4 (4).

[169] De Levie, R. The influence of surface roughness of solid electrodes on electrochemical measurements / Robert De Levie // Electrochimica Acta. 1965. T. 10, № 2. C. 113-130.

[170] Абрамовиц M., Стиган И. Справочник по специальным функциям / М. Абрамовиц, И. Стиган Наука. 1979.

[171] Mapping the complex morphology of cell interactions with nanowire substrates using FIB-SEM / Rafal Wierzbicki, Carsten K0bler, Mikkel RB Jensen et al. // PloS one. ^2013. -T. 8, № l.-C. e53307.

[172] Кольман Я. Наглядная биохимия / Я. Кольман , К.Г. Рём — Мир, 2000.

[173] Плонси Р. Биоэлектричество. Количественный подход / Р. Плонси, Р. Барр —1992.

[174] Masters, J. R. HeLa cells 50 years on: the good, the bad and the ugly / John R Masters // Nature Reviews Cancer. - 2002. - T. 2, № 4. - C. 315.

[175] Hibino, M. Time courses of cell electroporation as revealed by submicrosecond imaging of transmembrane potential / Masahiro Hibino, Hiroyasu Itoh, Kazuhiko Kinosita Jr // Biophysical journal. — 1993. — T 04. № 6. — C. 1789-1800.

[176] Wegener, J. Electric cell-substrate impedance sensing (ECIS) as a noninvasive means to monitor the kinetics of cell spreading to artificial surfaces / Joachim Wegener, Charles R Keese, Ivar Giaever // Experimental cell research. — 2000. — T. 259, № l.-C. 158-166.

[177] Electrical cell-substrate impedance sensing (ECIS) based biosensor for characterization of DF-1 cells / HR Siddiquei, AN Nordin, MI Ibrahimy et al. // International Conference on Computer and Communication Engineering (ICCCE'10) / IEEE. - 2010. - C. 1-4.

[178] Polymerization of the conducting polymer poly (3,4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT) around living neural cells / Sarah M Richardson-Burns, Jeffrey L Hendricks, Brian Foster et al. // Biomaterials. — 2007. — T. 28, № 8.-C. 1539-1552.

[179] A detailed model for high-frequency impedance characterization of ovarian cancer epithelial cell layer using ECIS electrodes / Abdur Rub Abdur Rahman, Chun-Min Lo, Shekhar Bhansali et al. // IEEE transactions on biomedical engineering. — 2008. — T. 56, № 2. — C. 485492.

[180] Analysis of the sensitivity and frequency characteristics of coplanar electrical cell-substrate impedance sensors / Lei Wang, He Wang, Keith Mitchelson et al. // Biosensors and Bioelectronics. — 2008. — T. 24, ..V" 1. C. 14-21.

[181] Ren, D. Feasibility of tracking multiple single-cell properties with impedance spectroscopy / Dingkun Ren, Chi On Chui // ACS sensors. — 2018. - T. 3, № 5. - C. 1005-1015.

[182] Levy, E. Complex-curve fitting / EC Levy // IRE transactions on automatic control. - 1959. Л'° 1. - С. 37-43.

[183] Оппенгейм, А. Цифровая обработка сигналов / А. Оппенгейм, Р. Шафер, перевод с английского Кулешова С.А. под редакцией Ненашева А.С. Мир цифровой обработки. — Техносфера, 2006. — С. 199200.

[184] Macdonald, D. D. A method for estimating impedance parameters for electrochemical systems that exhibit pseudoinductance / Digby D Macdonald // Journal of the Electrochemical Society. — 1978. T. 125, № 12. — C. 2062-2064.

[185] Macdonald, J. R. Analysis of impedance and admittance data for solids and liquids / J Ross Macdonald, JA Garber // Journal of the Electrochemical Society. — 1977. — T. 124, № 7.-C. 1022-1030.

[186] Лоусон Ч., Хенсон P. Численное решение задач метода наименьших квадратов / Ч. Лоусон, Р. Хенсон Науки. 1986.

[187] Вержбицкий В.М. Вычислительная линейная алгебра /

B.М. Вержбицкий — ВШ, 2007.

[188] Райе Дж. Матричные вычисления и математическое обеспечение / Дж. Райе —1984.

[189] Голуб Дж. Матричные вычисления / Дж. Голуб, Ч. Ван Лоун — 1999.

[190] Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце , К. Шенк^Мир, 1982.

[191] Convergence properties of the Nelder-Mead simplex method in low dimensions / Jeffrey С Lagarias, James A Reeds, Margaret H Wright, Paul E Wright // SIAM Journal on optimization. - 1998. - T. 9, № 1. -

C. 112-147.

[192] Macdonald, J. R. Comparison and application of two methods for the least squares analysis of immittance data / James Ross Macdonald // Solid State Ionics. - 1992. -T. 58, № l.-C. 97-107.

[193] Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и призведений / И.С. Градштейн, И.М. Рыжик Физшптиз. 1963.

[194] Engelberg, S. Digital signal processing: an experimental approach / Shlomo Engelberg. — Springer Science & Business Media, 2008. — C. 71.

[195] Evaluating the toxicity of Triton X-100 to protozoan, fish, and mammalian cells using fluorescent dyes as indicators of cell viability / Vivian R Dayeh, Stephanie L Chow, Kristin Schirmer et al. // Ecotoxicology and Environmental Safety. — 2004. — T. 57, № 3. — C. 375382.

[196] In situ laser-induced fabrication of a ruthenium-based microelectrode for non-enzymatic dopamine sensing / Maxim S Panov, Anastasiia E Grishankina, Daniil D Stupin et al. // Materials. — 2020. T. 13, № 23. — C. 5385.

[197] Zschornack, G. H. Handbook of X-Ray Data / Giinter H. Zschornack. — 1 edition. — Springer, 2007.

[198] Stupin, D. A single-cell electronic sensor of toxins / DD Stupin // Journal of Physics: Conference Series / IOP Publishing. — T. 917. — 2017. — C. 042006.

[199] Human stem cell-derived cardiomyocytes in cellular impedance assays: bringing cardiotoxicity screening to the front line / Matthew F Peters, Sarah D Lamore, Liang Guo et al. // Cardiovascular Toxicology. — 2015. T. 15, № 2. — C. 127-139.

[200] Stupin, D. D. TiN nanoporous electrode covered by single cell as bio-electronic sensor of radiation hazard / Daniil D Stupin // Semiconductors. — 2018. — T. 52, № 5.-C. 600-601.

[201] Ultraviolet A and melanoma: a review / Steven Q Wang, Richard Setlow, Marianne Berwick et al. // Journal of the American Academy of Dermatology. - 2001. T. 44. Л'° 5. С. 837-846.

[202] Burke, К. Synergistic damage by UVA radiation and pollutants / KE Burke, H Wei // Toxicology and Industrial Health. — 2009. — T. 25, ^ 4-5. 0. 219-224.

[203] Life and times of a cellular bleb / Guillaume T Charras, Margaret Coughlin, Timothy J Mitchison, L Mahadevan // Biophysical journal. — 2008. — T. 94, № 5.-C. 1836-1853.

[204] Montgomery, С. O. Ultra-violet damage to living HeLa cells as recorded by time-lapse motion picture studies. / P O'B Montgomery, WA Bonner, FF Roberts // Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine. — 1957. — T. 95, № 3. 0. 589-591.

[205] Kangro, H. O. Virology Methods Manual / Hillar O. Kangro. — 1st, p. 7 edition. ^Academic Press, 1996.

[206] Cell-substrate lift-off lithography: Proof of concept / DD Stupin, AA Kornev, NA Filatov, SV Koniakhin // Journal of Physics: Conference Series / IOP Publishing. — T. 1135. - 2018. - C. 012015.

[207] Моро, У. Микролитография: Принципы, методы, материалы / Уэйн Моро. —1990.

[208] Study of stimulus-induced plasticity in neural networks cultured in microfluidic chips / AA Gladkov, VN Kolpakov, YI Pigareva et al. // Современные технологии в медицине. — 2017. — Т. 9, № 4 (eng).

[209] Design of cultured neuron networks in vitro with predefined connectivity using asymmetric microfluidic channels / Arseniy Gladkov, Yana Pigareva, Daria Kutyina et al. // Scientific reports. — 2017. — T. 7, Л'° 1. — С. 1-14.

[210] Microfluidic device for unidirectional axon growth / E Malishev, A Pimashkin, A Gladkov et al. // Journal of Physics: Conference Series / IOP Publishing. — T. 643. — 2015. — C. 012025.

[211] Neural signal registration and analysis of axons grown in microchannels / Y Pigareva, E Malishev, A Gladkov et al. // Journal of Physics: Conference Series / IOP Publishing. -T. 741. 2016. 0. 012057.