Espectroscopia de impedancia eléctrica, una herramienta para aplicaciones biotecnológicas con Lactobacillus casei ATCC 393 / Electrical impedance spectroscopy, a tool for biotechnological applications with Lactobacillus casei ATCC 393

RESUMEN La aplicación de espectroscopia de impedancia eléctrica (EIE), es una técnica que se utiliza para monitorear, detectar y cuantificar microorganismos de interés biotecnológico, con la medición de parámetros eléctricos de respuesta rápida de un medio inoculado a temperatura y agitación constante mediante electrodos sumergidos. Realizando una comparación del modelo de crecimiento y el recuento en placa con los parámetros eléctricos de respuesta, se puede dar una correlación para romper la barrera tecnológica entre la microbiología clásica y los métodos rápidos de detección. La comparación de ambas técnicas fue realizada para determinar el máximo crecimiento de Lactobacillus casei (L. casei) ATCC 393. Se encontró que tras la inoculación, después de 24 h en condiciones microaerofílicas (37 °C), el máximo crecimiento microbiano fue registrado por medio de la EIE, mediante los parámetros -Z- (29,1057) y Deg-Deg0 (24,555°). En contraste con la técnica de conteo en placa, el crecimiento máximo se estimó a las 9 h. Los datos experimentales obtenidos mediante la EIE fueron ajustados por un circuito RC en serie, posteriormente, las curvas generadas fueron ajustadas a los modelos de crecimiento de Gompertz y Boltzman. Usando la técnica de EIE, la impedancia del medio resultó el parámetro más eficiente para la estimación del pico máximo exponencial de crecimiento de L. casei. Se demostró que la EIE constituye una alternativa para la detección rápida de la concentración microbiana en procesos de producción de biomasa para la elaboración de productos alimenticios probióticos.

ABSTRACT The application of electrical impedance spectroscopy (EIS) is a technique used to monitor, detect and quantify microorganisms of biotechnological interest, with the measurement of electrical parameters of rapid response of a medium inoculated at temperature and constant agitation by submerged electrodes. By making a comparison of the growth model and the plate count with the electrical response parameters, a correlation can be made to break the technological barrier between classical microbiology and rapid detection methods. The comparison of both techniques was performed to determine the maximum growth of Lactobacillus casei (L. casei) ATCC 393. It was found that after inoculation, after 24 h under microaerophilic conditions (37 °C), the maximum microbial growth was recorded by medium of the EIE, using the parameters -Z- (29,1057) and Deg-Deg0 (24,555°). In contrast to the plate count technique, maximum growth was estimated at 9 h. The experimental data obtained through the EIE were adjusted by a series RC circuit; later, the generated curves were adjusted to the growth models of Gompertz and Boltzman. Using the EIE technique, the impedance of the medium was the most efficient parameter for the estimation of the maximum exponential growth peak of L. casei. It was demonstrated that the EIE constitutes an alternative for the rapid detection of the microbial concentration in biomass production processes for the elaboration of probiotic food products.

Caracterización del tejido columnar del cérvix mediante espectroscopia de impedancia eléctrica y modelado computacional / Characterization of cervical columnar tissue through electrical impedance spectroscopy and computer modeling

RESUMEN Introducción: En este artículo se presenta la utilización de la espectroscopia de impedancia eléctrica (EIE) en la caracterización del tejido columnar cervical y como herramienta de apoyo a las técnicas diagnósticas del cáncer de cuello uterino. Métodos: Se realizó un estudio de validez diagnóstica a 30 pacientes no menopáusicas que presentaron ectopia cervical durante la colposcopia. Se obtuvieron 129 espectros de impedancia eléctrica de tejido columnar, que fueron diferenciados en cuatro zonas o puntos de toma de medidas, semejantes a las zonas horarias 12, 3, 6, y 9 de un reloj análogo. Los datos experimentales obtenidos fueron ajustados al modelo de Cole-Cole, que describe la fisiología y estructura del tejido mediante parámetros eléctricos de resistividad R y S, frecuencia característica Fc y capacitancia de membrana Cm. Resultados: La comparación entre tejidos columnares sanos y con lesión en cada uno de los puntos de medida se realizó mediante pruebas no paramétricas U de Mann-Whitney, que mostraron diferencias estadísticamente significativas (p <0,05) para las medianas de R y S, con un nivel de confianza del 95%. Los valores promedio de R y S para tejido columnar sano fueron 2,0 Ω-m y 11,36 Ω-m, con desviación estándar 0,41 y 0,51 respectivamente; mientras que para los tejidos con lesiones el valor promedio R y S fueron de 4,21 Ω-m y 7,03 Ω-m, con desviación estándar 0,40 para ambas medidas. Conclusión: Se encontró que la resistividad del líquido extracelular R y la resistividad de la matriz intracelular S son las que mejor discriminan entre epitelios columnares sanos y aquellos afectados por lesiones.

ABSTRACT Introduction: Thi s pape r shows the implementation of Electrical Impedance Spectroscopy (EIS) in the characterization of the cervical columnar tissue and as a supporting tool to the diagnostic techniques of cervical cáncer Methods: A diagnostic validity study was performed on 30 non-menopausal patients who presented cervical ectopy during colposcopy. A total of 129 electric impedance spectra of columnar tissue was obtained, which were differentiated into four measurement zones or points similar to time zones 12, 3, 6, and 9 of an analog clock. The experimental data obtained were adjusted to the Cole-Cole model which describes the physiology and structure of the tissue through electrical resistivity parameters R and S, characteristic frequency Fc and membrane capacitance Mc. Results: The comparison between healthy and damaged columnar tissue at each of the measurement points was performed using non-parametric Mann-Whitney U tests which showed statistically significant differences (p <0.05) for the R and S medians with a 95% confidence level. The average values of R and S for healthy columnar tissue were 2.0 Ω-m and 11.36 Ω-m, with 0.41 and 0.51 standard deviation respectively, whereas for a damaged tissue the average value of R and S were 4.21 Ω-m and 7.03 Ω-m, with 0.40 standard deviation for both measurements. Conclusions: It was found that the resistivity of the extracellular liquid R, and the resistivity of the intracellular matrix S, are the parameters that better discriminate between healthy columnar epithelia and those affected by lesions.

Rapid culture-based detection of living mycobacteria using microchannel electrical impedance spectroscopy (m-EIS)

BACKGROUND: Multiple techniques exist for detecting Mycobacteria, each having its own advantages and drawbacks. Among them, automated culture-based systems like the BACTEC-MGIT™ are popular because they are inexpensive, reliable and highly accurate. However, they have a relatively long "time-to-detection" (TTD). Hence, a method that retains the reliability and low-cost of the MGIT system, while reducing TTD would be highly desirable. METHODS: Living bacterial cells possess a membrane potential, on account of which they store charge when subjected to an AC-field. This charge storage (bulk capacitance) can be estimated using impedance measurements at multiple frequencies. An increase in the number of living cells during culture is reflected in an increase in bulk capacitance, and this forms the basis of our detection. M. bovis BCG and M. smegmatis suspensions with differing initial loads are cultured in MGIT media supplemented with OADC and Middlebrook 7H9 media respectively, electrical "scans" taken at regular intervals and the bulk capacitance estimated from the scans. Bulk capacitance estimates at later time-points are statistically compared to the suspension's baseline value. A statistically significant increase is assumed to indicate the presence of proliferating mycobacteria. RESULTS: Our TTDs were 60 and 36 h for M. bovis BCG and 20 and 9 h for M. smegmatis with initial loads of 1000 CFU/ml and 100,000 CFU/ml respectively. The corresponding TTDs for the commercial BACTEC MGIT 960 system were 131 and 84.6 h for M. bovis BCG and 41.7 and 12 h for M smegmatis, respectively. CONCLUSION: Our culture-based detection method using multi-frequency impedance measurements is capable of detecting mycobacteria faster than current commercial systems.

Caracterización de neoplasias mamarias mediante espectroscopia de impedancia eléctrica: modelo canino / Characterization of mammary neoplasia by electrical impedance spectroscopy: canine model

Introducción: La espectroscopia de impedancia eléctrica (EIE) es una técnica fácil de usar y de bajo costo que se puede utilizar para analizar tejidos biológicos en condiciones normales o patológicas. El objetivo de este trabajo fue caracterizar neoplasias de glándula mamaria benignas y malignas aplicando la técnica EIE en muestras extraídas de 45 caninos hembras (Canis lupus familiaris). Métodos: Se utilizó un medidor de impedancia eléctrica, Hioki 3532-50, para determinar los parámetros bioeléctricos: resistencia de la matriz extracelular (R), resistencia de la matriz intracelular (S), frecuencia característica (Fc) y capacitancia de membrana (Cm) en un rango de frecuencias entre 42 Hz y 5 MHz y se analizaron estadísticamente mediante la prueba no paramétrica U de Mann-Whitney (Wilcoxon) de dos colas. La precisión diagnóstica de la EIE se efectuó a través de curvas características de operación del receptor (COR) y tablas de doble entrada, con la histopatología como referencia. Resultados: Se encontraron diferencias estadísticamente significativas entre el tejido mamario sano y las neoplasias benignas para los parámetros R, Fc y Cm, p-value < 0,05. Entre tejido mamario sano y neoplasias mamarias malignas se encontraron diferencias estadísticamente significativas para R y Fc con un p-value < 0,05. La comparación entre lesiones tumorales benignas y malignas no presentó diferencias estadísticamente significativas, p-value > 0,05, para ninguna de las variables incluidas en este estudio. Conclusiones: De los parámetros analizados por EIE, la resistencia de la matriz extracelular es la que mejor permite diferenciar entre tejidos mamarios normales y neoplásicos. La EIE es una herramienta diagnóstica potencial que puede ser utilizada en la detección de cáncer mamario, con una precisión diagnóstica cercana al 80%.

Introduction: Electrical Impedance Spectroscopy (EIS) it is an easy to use and low-cost technique that can be used to analyze biological tissues in normal or pathological condition. The goal of this work was to characterize benign and malign mammary gland neoplasms applying the EIS technique in 45 female dogs (Canis lupus familiaris). Methods: An impedance meter Hioki 3532-50 was used to determine bioelectric parameters, extracellular matrix resistance (R), intracellular matrix resistance (S), characteristic frequency (Cf), and membrane capacitance (Mc), which were obtained in a 42 Hz and 5 MHz frequencies range. Were statistically analyzed with the non-parametric test of two-tailed MannWhitney (Wilcoxon). The diagnostic precision of the test was performed using receiver operating characteristics (ROC) and two-way tables using histopathology results as reference. Results: Significant differences between healthy mammary tissue and benign neoplasms were found for variables R, Cf and Mc (p < 0.05). There were statistically major differences between the healthy mammary tissue and malign mammary tumors groups for R and Cf (p < 0.05). The comparison between malign and benign tumor lesions did not show a statistically significant difference, p-value > 0.05, for any of the variables included in this study. Conclusion: Among all parameters analyzed for EIS, the extracellular matrix resistance R is the one that best allows differentiating between healthy and neoplastic mammary tissues. EIS is a diagnostic tool that can be used for breast cancer detection with a diagnostic precision close to 801%.