pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2026-17-1-67-76pimi-1033Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsСканирующая ион-проводящая микроскопия: принцип работы и преимущества для медико-биологических исследованийScanning Ion-Conductance Microscopy: Operating Principles and Advantages for Medical and Biological PracticesПлесковаС. Н.PleskovaS. N.

Адрес для переписки:Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского,пр-т Гагарина, 23, стр. 3,г. Нижний Новгород 603022, Россия pleskova@mail.ru

Address for correspondence:Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod,Gagarin Ave., 23, Bldg. 3,Nizhny Novgorod603022, Russiapleskova@mail.ru

pleskova@mail.ruБезруковН. А.BezrukovN. A.

пр-т Гагарина, 23, стр. 3, г. Нижний Новгород603022

Gagarin Ave., 23, Bldg. 3, Nizhny Novgorod 603022

Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского, Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. АлексееваБеларусьLobachevsky State University of Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. AlekseevBelarusНижегородский государственный университет имени Н.И. ЛобачевскогоБеларусьLobachevsky State University of Nizhny NovgorodBelarus2026010420261716776Copyright © Плескова С.Н., Безруков Н.А., 20262026Плескова С.Н., Безруков Н.А.Pleskova S.N., Bezrukov N.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/1033

Исследование медико-биологических объектов ставит принципиально новые задачи перед методами сканирующей зондовой микроскопии, поскольку для оценки живых систем метод должен быть не только высокоразрешающим, но и высокоскоростным, позволяющим проводить длительные динамические наблюдения в максимально физиологичной среде с минимальным механическим воздействием на клетки. Целью работы было показать ряд ограничений метода атомно-силовой микроскопии в исследовании медико-биологических объектов, рассмотреть принцип работы метода сканирующей ион-проводящей микроскопии, режимы сканирования с получением динамических сканов и метод оценки ригидности клеток без прямого контакта зонда (нанопипетки) с образцом (клеткой). Описаны основные преимущества метода сканирующей ион-проводящей микроскопии в медико-биологических исследованиях и конструкционные особенности микроскопа, позволяющие реализовать эти преимущества. Приведён пример живых клеток (эндотелиоцитов сосудов и буккального эпителиоцита), отсканированных методом сканирующей ион-проводящей микроскопии с предоставлением карт распределения ригидности поверхности клеток.

Study of medical and biological objects poses fundamentally new challenges for scanning probe microscopy methods, as the assessment of living systems requires a method to be not only high-resolution but also high-speed, enabling long-term dynamic observations in the most physiologically relevant environment with minimal mechanical impact on cells. Aim of this article was to demonstrate limitations of atomic force microscopy in study of medical and biological objects, to describe the operating principle of scanning ion-conductance microscopy and scanning modes for obtaining dynamic scans, and a method for assessing cell stiffness without direct contact between the probe (nanopipette) and the sample (cell). Main advantages of scanning ion-conductance microscopy for medical and biological research are outlined, along with the design features of the microscope that enable these advantages. An example of live cells (vascular endothelial cells and buccal epithelial cell) scanned using scanning ion conductance microscopy is provided including surface stiffness distribution maps of the cells.

сканирующая ион-проводящая микроскопия (СИПМ)атомно-силовая микроскопия (АСМ)сканирующая зондовая микроскопияпрыжковый режим (hopping mode)биологические объектыscanning ion-conductance microscopy (SICM)atomic force microscopy (AFM)scanning probe microscopyhopping modebiological objectsРабота выполнена при поддержке Российского научного фонда, номер проекта 23-74-00004.The work was supported by Russian Science Foundation, project № 23-74-00004.ReferencesЧижик С.А., Сыроежкин С.В. Методы сканирующей зондовой микроскопии в микро и наномеханике // Приборы и методы измерений. – 2010. – № 1(1). – С. 85-94.Chizhik SA, Syroezhkin SV. Methods of scanning probe microscopy in microand nanomechanics. Devices and Methods of Measurements. 2010;1(1):85-94. (In Russ.).Сканирующая зондовая микроскопия как главный инструмент бионаноскопии / И.В. Яминский, П.В. Горелкин, А.С. Ерофеев [и др.] // Медицина и высокие технологии. – 2014. – № 2. – С. 11-26.Yaminsky IV, Gorelkin PV, Erofeev AS, Sinitsyna OV, Meshkov GB. Scanning probe microscopy as the main tool of bionanoscopy. Medicine and High Technologies. 2014;(2):11-26. (In Russ.).Быков В., Поляков В. Новые решения для материаловедения, комплексного исследования и контроля материалов и структур с высоким пространственным разрешением // Наноиндустрия. – 2017. – № 2(72). – С. 58-72.Bykov V, Polyakov V. New solutions for materials science, comprehensive research and control of materials and structures with high spatial resolution. Nanoindustry. 2017;(2):58-72. (In Russ.).Плескова С.Н. Атомно-силовая микроскопия в биологических и медицинских исследованиях. – Долгопрудный : Интеллект, 2011. – 183 с.Pleskova SN. Atomic force microscopy in biological and medical research. Dolgoprudny: Intellekt. 2011;183 p. (In Russ.).Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика: практ. курс. – М.: Фаир-пресс, 1999. – 720 с.Varfolomeev SD, Gurevich KG. Biokinetics: A Practical Course. Moscow: Fair-Press. 1999;720 p. (In Russ.).Бегун П.И., Афонин П.Н. Моделирование в биомеханике. – М.: Высшая школа, 2004. – 390 с.Begun PI, Afonin PN. Modeling in biomechanics. Moscow: Vysshaya Shkola. 2004;390 p. (In Russ.).Cheirdaris DG. Force Spectroscopy in Mechanical Protein Domains Unfolding. Adv Exp Med Biol. 2021;1339:187-193. DOI: 10.1007/978-3-030-78787-5_24Cheirdaris DG. Force Spectroscopy in Mechanical Protein Domains Unfolding. Adv Exp Med Biol. 2021;1339:187-193. DOI: 10.1007/978-3-030-78787-5_24Wijesinghe WCB, Min D. Single-Molecule Force Spectroscopy of Membrane Protein Folding. J Mol Biol. 2023;435(11):167975. DOI: 10.1016/j.jmb.2023.167975Wijesinghe WCB, Min D. Single-Molecule Force Spectroscopy of Membrane Protein Folding. J Mol Biol. 2023;435(11):167975. DOI: 10.1016/j.jmb.2023.167975Филькенштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. – М.: Книжный дом «Университет», 2002. – 376 с.Filkenstein AV, Ptitsyn OB. Physics of protein. Moscow: Knizhny Dom Universitet. 2002;376 p. (In Russ.).Taniguchi Y, Kobayashi A, Kawakami M. Mechanical unfolding studies of protein molecules. Biophysics (Nagoya-shi). 2012;8:51-58. DOI: 10.2142/biophysics.8.51Taniguchi Y, Kobayashi A, Kawakami M. Mechanical unfolding studies of protein molecules. Biophysics (Nagoya-shi). 2012;8:51-58. DOI: 10.2142/biophysics.8.51Pleskova S.N. [et al.]. Conditioning adhesive contacts between the neutrophils and the endotheliocytes by Staphylococcus aureus. Journal of Molecular Recognition. 2020;33(9):e2846. DOI: 10.1002/jmr.2846Pleskova SN, Kriukov RN, Bobyk SZ, Boryakov AV, Gorelkin PV, Erofeev AS. Conditioning adhesive contacts between the neutrophils and the endotheliocytes by Staphylococcus aureus. Journal of Molecular Recognition. 2020;33(9):e2846. DOI: 10.1002/jmr.2846Pleskova S.N. [et al.]. S. aureus and E. coli change the force and work of adhesion between Pand E-selectins of endothelial cells and ligands of neutrophil granulocytes. Micron. 2021;150:103139. DOI: 10.1016/j.micron.2021.103139Pleskova SN, Bobyk SZ, Kriukov RN, Gorshkova EN, Novikov DV, Vasilchikov PI, Bezrukov NA, Novikov VV. S. aureus and E. coli change the force and work of adhesion between Pand E-selectins of endothelial cells and ligands of neutrophil granulocytes. Micron. 2021;150:103139. DOI: 10.1016/j.micron.2021.103139Pleskova S.N. [et al.]. Staphyloccocus aureus Cause Arrest of Neutrophils in Bloodstream in a Septicemia Model. Microorganisms. 2022;10:1696. DOI: 10.3390/microorganisms10091696Pleskova SN, Bobyk SZ, Kriukov RN, Gorshkova EN, Bezrukov NA. Staphyloccocus aureus Cause Arrest of Neutrophils in Bloodstream in a Septicemia Model. Microorganisms. 2022;10:1696. DOI: 10.3390/microorganisms10091696Pleskova S.N. [et al.]. Pathogenic Escherichia coli change the adhesion between neutrophils and endotheliocytes in the experimental bacteremia model. Microbial Cell. 2024;11(1):254-264. DOI: 10.15698/mic2024.07.830Pleskova SN, Bezrukov NA, Bobyk SZ, Gorshkova EN, Novikov DV. Pathogenic Escherichia coli change the adhesion between neutrophils and endotheliocytes in the experimental bacteremia model. Microbial Cell. 2024;11(1):254-264. DOI: 10.15698/mic2024.07.830Kato K., Adachi K. Wear of advanced ceramics. Wear. 2002;253(11-12):1097-1104. DOI: 10.1016/S0043-1648(02)00240-5Kato K, Adachi K. Wear of advanced ceramics. Wear. 2002;253(11-12):1097-1104. DOI: 10.1016/S0043-1648(02)00240-5Hansma PK, Schitter G, Fantner GE, Prater CB. High-speed atomic force microscopy. Science. 2006;314(5799):601-602. DOI: 10.1126/science.1133497Hansma PK, Schitter G, Fantner GE, Prater CB. High-speed atomic force microscopy. Science. 2006; 314(5799):601-602. DOI: 10.1126/science.1133497Pleskova S.N., Aybeke E.N., Pudovkina E.N., Bourillot E., Lesniewska E. The study of monocytes and their submembrane structures by atomic force microscopy. Journal of Biological Physics and Chemistry. 2012;12:168-173. DOI: 10.4024/25PL12L.jbpc.12.04Pleskova SN, Aybeke EN, Pudovkina EN, Bourillot E, Lesniewska E. The study of monocytes and their submembrane structures by atomic force microscopy. Journal of Biological Physics and Chemistry. 2012;12:168-173. DOI: 10.4024/25PL12L.jbpc.12.04Chen C-C, Zhou Y, Baker LA. Scanning ion conductance microscopy. Annu Rev Anal Chem. 2012;5:207228. DOI: 10.1146/annurev-anchem-062011-143203Chen C-C, Zhou Y, Baker LA. Scanning ion conductance microscopy. Annu Rev Anal Chem. 2012;5:207228. DOI: 10.1146/annurev-anchem-062011-143203Page A, Perry D, Unwin PR. Multifunctional scanning ion conductance microscopy. Proc Math Phys Eng Sci. 2017;473(2200):20160889. DOI: 10.1098/rspa.2016.0889Page A, Perry D, Unwin PR. Multifunctional scanning ion conductance microscopy. Proc Math Phys Eng Sci. 2017;473(2200):20160889. DOI: 10.1098/rspa.2016.0889Стовпяга А.В., Сапожников И.Д., Голубок А.О. Сканирующий микроскоп ионной проводимости с одновременной визуализацией поверхности образца в полуконтактной силовой моде // Научное приборостроение. – 2012. – Т. 22, № 3. – С. 36-45.Stovpyaga AV, Sapozhnikov ID, Golubok AO. Scanning ion conductance microscope with simultaneous visualization of the sample surface in semicontact force mode. Scientific Instrument Making. 2012;22(3):36-45. (In Russ.).Hansma PK, Drake B, Marti O, Gould SA, Prater CB. The scanning ion-conductance microscope. Science. 1989;243:641-643. DOI: 10.1126/science.2464851Hansma PK, Drake B, Marti O, Gould SA, Prater CB. The scanning ion-conductance microscope. Science. 1989;243:641-643. DOI: 10.1126/science.2464851Novak P. [et al.]. Nanoscale live-cell imaging using hopping probe ion conductance microscopy. Nat Methods. 2009;6:279-281.Novak P, Li C, Shevchuk AI, Stepanyan R, Caldwell M, Hughes S, Smart TG, Gorelik J, Ostanin VP, Lab MJ. Nanoscale live-cell imaging using hopping probe ion conductance microscopy. Nat Methods. 2009;6:279-281.Жуков М.В. Многомодовый сканирующий микроскоп ионной проводимости с системой пьезоинерциального перемещения / М.В. Жуков [и др.] // Научное приборостроение. – 2022. – Т. 32, № 4. – С. 68-87.Zhukov MV, Lukashenko SYu, Sapozhnikov ID, Felshtyn ML, Gorbenko OM, Pichakhchi SV, Golubok AO. Multimodal scanning ion conductance microscope with a piezoinertial displacement system. Scientific Instrument Making. 2022;32(4):68-87. (In Russ.).Edwards MA, Williams CG, Whitworth AL, Unwin PR. Scanning Ion Conductance Microscopy: a Model for Experimentally Realistic Conditions and Image Interpretation. Anal Chem. 2009;81:4482-4492. DOI: 10.1021/ac900376wEdwards MA, Williams CG, Whitworth AL, Unwin PR. Scanning Ion Conductance Microscopy: a Model for Experimentally Realistic Conditions and Image Interpretation. Anal Chem. 2009;81:4482-4492. DOI: 10.1021/ac900376wШергин Д.А. Новейшие достижения в области сканирующей ион-проводящей микроскопии и нанокапиллярных систем для анализа единичных клеток в физиологических условиях / Д.А. Шергин [и др.] // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. – 2023. – Т. 78, № 6. – С. 2360701.Shergin DA, Yakovlev AP, Gorelkin PV, Salikhov SV, Erofeev AS. Latest advances in scanning ion conductance microscopy and nanocapillary systems for single cell analysis under physiological conditions. Moscow University Physics Bulletin. 2023;78(6):2360701. (In Russ.).Pellegrino M. [et al.] Weak hydrostatic forces in far-scanning ion conductance microscopy used to guide neuronal growth cones. Neurosci Res. 2011;69:234-240. DOI: 10.1016/j.neures.2010.12.006Pellegrino M, Orsini P, Pellegrini M, Baschieri P, Dinelli F, Petracchi D, Tognoni E, Ascoli C. Weak hydrostatic forces in far-scanning ion conductance microscopy used to guide neuronal growth cones. Neurosci Res. 2011;69:234-240. DOI: 10.1016/j.neures.2010.12.006Clarke RW. [et al.]. Low Stress Ion Conductance Microscopy of Sub-Cellular Stiffness. Soft Matter. 2016;12:7953-7958. DOI: 10.1039/C6SM01106CClarke RW, Novak P, Zhukov A, Tyler EJ, CanoJaimez M, Drews A, Richards O, Bishop C, Klenerman D. Low Stress Ion Conductance Microscopy of Sub-Cellular Stiffness. Soft Matter. 2016;12:7953-7958. DOI: 10.1039/C6SM01106CLesniewska E, Bourillot E, Carriou D, Pleskova S. The study of living and fixing buccal epitheliocytes morphology by atomic force microscopy. In: Méndez-Vilas A, editor. Current Microscopy Contributions to Advances in Science and Technology. Formatex. 2012;561-568.Lesniewska E, Bourillot E, Carriou D, Pleskova S. The study of living and fixing buccal epitheliocytes morphology by atomic force microscopy. In: MéndezVilas A, editor. Current Microscopy Contributions to Advances in Science and Technology. Formatex. 2012;561568.Kiseleva D. [et al.]. Effect of LDL Extracted from Human Plasma on Membrane Stiffness in Living Endothelial Cells and Macrophages via Scanning Ion Conductance Microscopy. Cells. 2024;13(4):358. DOI: 10.3390/cells13040358Kiseleva D, Kolmogorov V, Cherednichenko V, Khovantseva U, Bogatyreva A, Markina Y, Gorelkin P, Erofeev A, Markin A. Effect of LDL Extracted from Human Plasma on Membrane Stiffness in Living Endothelial Cells and Macrophages via Scanning Ion Conductance Microscopy. Cells. 2024;13(4):358. DOI: 10.3390/cells13040358Nadappuram BP, McKelvey K, Al Botros R, Colburn AW, Unwin PR. Fabrication and characterization of dual function nanoscale pH-scanning ion conductance microscopy (SICM) probes for high resolution pH mapping. Anal Chem. 2013;85(17):8070-4. DOI: 10.1021/ac401883nNadappuram BP, McKelvey K, Al Botros R, Colburn AW, Unwin PR. Fabrication and characterization of dual function nanoscale pH-scanning ion conductance microscopy (SICM) probes for high resolution pH mapping. Anal Chem. 2013;85(17):8070-4.Sandech N. [et al.]. Benja-ummarit induces ferroptosis with cell ballooning feature through ROS and iron-dependent pathway in hepatocellular carcinoma. J Ethnopharmacol. 2024;335:118672. DOI: 10.1016/j.jep.2024.118672DOI: 10.1021/ac401883nPleskova S.N. [et al.]. Changes in ROS/RNS Levels in Endothelial Cells in Experimental Bacteremia. Chembiochem. 2024;25(18):e202400341. DOI: 10.1002/cbic.202400341Sandech N, Yang MC, Juntranggoor P, Rukthong P, Gorelkin P, Savin N, Timoshenko R, Vaneev A, Erofeev A, Wichaiyo S, Pradidarcheep W, Maiuthed A. Benja-ummarit induces ferroptosis with cell ballooning feature through ROS and iron-dependent pathway in hepatocellular carcinoma. J Ethnopharmacol. 2024;335:118672. DOI: 10.1016/j.jep.2024.118672Pleskova SN, Vaneev AN, Bezrukov NA, Erofeev AS, Bobyk SZ, Kolmogorov VS, Gorelkin PV, Mamed-Nabizade VV, Gorshkova EN. Changes in ROS/RNS Levels in Endothelial Cells in Experimental Bacteremia. Chembiochem. 2024;25(18):e202400341. DOI: 10.1002/cbic.202400341Pleskova SN, Vaneev AN, Bezrukov NA, Erofeev AS, Bobyk SZ, Kolmogorov VS, Gorelkin PV, Mamed-Nabizade VV, Gorshkova EN. Changes in ROS/RNS Levels in Endothelial Cells in Experimental Bacteremia. Chembiochem. 2024;25(18):e202400341. DOI: 10.1002/cbic.202400341

The authors declare that there are no conflicts of interest present.