Applying sufficiently strong pulsed electric fields to a cell can permeabilize the membrane and subsequently affect its dielectric properties. In this study, we employ a microfluidic dielectrophoresis cytometry technique to simultaneously electroporate and measure the time-dependent dielectric response of single Chinese hamster ovary cells. Using experimental measurements along with numerical simulations, we present quantitative results for the changes in the cytoplasm conductivity of single cells within seconds after exposure to 100 μs duration pulsed electric fields with various intensities. It is shown that, for electroporation in a medium with conductivity lower than that of the cell's cytoplasm, the internal conductivity of the cell decreases after the electroporation on a time scale of seconds and stronger pulses cause a larger and more rapid decrease. We also observe that, after the electroporation, the cell's internal conductivity is constrained to a threshold. This implies that the cell prevents some of the ions in its cytoplasm from diffusing through the created pores to the external medium. The temporal change in the dielectric response of each individual cell is continuously monitored over minutes after exposure to pulsed electric fields. A time constant associated with the cell's internal conductivity change is observed, which ranges from seconds to tens of seconds depending on the applied pulse intensity. This experimental observation supports the results of numerical models reported in the literature.

1.
D. S.
Dimitrov
,
J. Membr. Biol.
78
,
53
(
1984
).
2.
R. W.
Glaser
,
S. L.
Leikin
,
L. V.
Chernomordik
,
V. F.
Pastushenko
, and
A. I.
Sokirko
,
Biochim. Biophys. Acta
940
,
275
(
1988
).
3.
J. C.
Weaver
and
Y. A.
Chizmadzhev
,
Bioelectrochem. Bioenerg.
41
,
135
(
1996
).
4.
S.
Somiari
,
J.
Glasspool-Malone
,
J. J.
Drabick
,
R. A.
Gilbert
,
R.
Heller
,
M. J.
Jaroszeski
, and
R. W.
Malone
,
Mol. Ther.
2
,
178
(
2000
).
5.
A. I.
Daud
,
R. C.
DeConti
,
S.
Andrews
,
P.
Urbas
,
A. I.
Riker
,
V. K.
Sondak
,
P. N.
Munster
,
D. M.
Sullivan
,
K. E.
Ugen
,
J. L.
Messina
, and
R.
Heller
,
J. Clin. Oncol.
26
,
5896
(
2008
).
7.
D.
Miklavčič
,
B.
Mali
,
B.
Kos
,
R.
Heller
, and
G.
Serša
,
Biomed. Eng. Online
13
,
29
(
2014
).
8.
M. L.
Yarmush
,
A.
Golberg
,
G.
Serša
,
T.
Kotnik
, and
D.
Miklavčič
,
Annu. Rev. Biomed. Eng.
16
,
295
(
2014
).
9.
I.
Edhemovic
,
E. M.
Gadzijev
,
E.
Brecelj
,
D.
Miklavcic
,
B.
Kos
,
A.
Zupanic
,
B.
Mali
,
T.
Jarm
,
D.
Pavliha
,
M.
Marcan
,
G.
Gasljevic
,
V.
Gorjup
,
M.
Music
,
T. P.
Vavpotic
,
M.
Cemazar
,
M.
Snoj
, and
G.
Sersa
,
Technol. Cancer Res. Treat.
10
,
475
(
2011
).
10.
M.
Marty
,
G.
Sersa
,
J. R.
Garbay
,
J.
Gehl
,
C. G.
Collins
,
M.
Snoj
,
V.
Billard
,
P. F.
Geertsen
,
J. O.
Larkin
,
D.
Miklavcic
,
I.
Pavlovic
,
S. M.
Paulin-Kosir
,
M.
Cemazar
,
N.
Morsli
,
D. M.
Soden
,
Z.
Rudolf
,
C.
Robert
,
G. C.
O'Sullivan
, and
L. M.
Mir
,
Eur. J. Cancer, Suppl.
4
,
3
(
2006
).
11.
L. M.
Mir
and
S.
Orlowski
,
Adv. Drug Delivery Rev.
35
,
107
(
1999
).
12.
R.
Heller
,
M.
Jaroszeski
,
L.
Glass
,
J.
Messina
,
D.
Rapaport
,
R.
DeConti
,
N.
Fenske
,
R.
Gilbert
,
L.
Mir
, and
D.
Reintgen
,
Cancer
77
,
964
(
1996
).
13.
K. H.
Schoenbach
,
R. P.
Joshi
,
R. H.
Stark
,
F. C.
Dobbs
, and
S. J.
Beebe
,
IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.
7
,
637
(
2000
).
14.
C.
Gusbeth
,
W.
Frey
,
H.
Volkmann
,
T.
Schwartz
, and
H.
Bluhm
,
Chemosphere
75
,
228
(
2009
).
15.
H. J.
Scheffer
,
K.
Nielsen
,
M. C.
de Jong
,
A. A. J. M.
van Tilborg
,
J. M.
Vieveen
,
A. R. A.
Bouwman
,
S.
Meijer
,
C.
van Kuijk
,
P. M. P.
van den Tol
, and
M. R.
Meijerink
,
J. Vasc. Interventional Radiol.
25
,
997
(
2014
).
16.
C.
Jiang
,
R. V.
Davalos
, and
J. C.
Bischof
,
IEEE Trans. Biomed. Eng.
62
,
4
(
2015
).
17.
A.
Golberg
and
M. L.
Yarmush
,
IEEE Trans. Biomed. Eng.
60
,
707
(
2013
).
18.
M.
Breton
and
L. M.
Mir
,
Bioelectromagnetics
33
,
106
(
2012
).
19.
S.
Wang
and
L. J.
Lee
,
Biomicrofluidics
7
,
11301
(
2013
).
20.
J. C.
Weaver
,
K. C.
Smith
,
A. T.
Esser
,
R. S.
Son
, and
T. R.
Gowrishankar
,
Bioelectrochemistry
87
,
236
(
2012
).
21.
S. J.
Beebe
,
P. M.
Fox
,
L. J.
Rec
,
L. K.
Willis
, and
K. H.
Schoenbach
,
FASEB J.
17
,
1493
(
2003
).
22.
P. T.
Vernier
,
L.
Marcu
,
C. M.
Craft
, and
M. A.
Gundersen
,
IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.
10
,
795
(
2003
).
23.
P. T.
Vernier
,
Y.
Sun
,
L.
Marcu
,
S.
Salemi
,
C. M.
Craft
, and
M. A.
Gundersen
,
Biochem. Biophys. Res. Commun.
310
,
286
(
2003
).
24.
S. J.
Beebe
,
P. F.
Blackmore
,
J.
White
,
R. P.
Joshi
, and
K. H.
Schoenbach
,
Physiol. Meas.
25
,
1077
(
2004
).
25.
K. H.
Schoenbach
,
R. P.
Joshi
,
J. F.
Kolb
,
N.
Chen
,
M.
Stacey
,
P. F.
Blackmore
,
E. S.
Buescher
, and
S. J.
Beebe
,
Proc. IEEE
92
,
1122
(
2004
).
26.
K. H.
Schoenbach
,
B.
Hargrave
,
R. P.
Joshi
,
J. F.
Kolb
,
R.
Nuccitelli
,
C.
Osgood
,
A.
Pakhomov
,
M.
Stacey
,
R. J.
Swanson
,
J. A.
White
,
S.
Xiao
,
J.
Zhang
,
S. J.
Beebe
,
P. F.
Blackmore
, and
E. S.
Buescher
,
IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.
14
,
1088
(
2007
).
27.
R.
Nuccitelli
,
K.
Tran
,
S.
Sheikh
,
B.
Athos
,
M.
Kreis
, and
P.
Nuccitelli
,
Int. J. Cancer
127
,
1727
(
2010
).
28.
A. T.
Esser
,
K. C.
Smith
,
T. R.
Gowrishankar
,
Z.
Vasilkoskl
, and
J. C.
Weaver
,
Biophys. J.
98
,
2506
(
2010
).
29.
W.
Ren
,
N. M.
Sain
, and
S. J.
Beebe
,
Biochem. Biophys. Res. Commun.
421
,
808
(
2012
).
30.
M.
Hibino
,
M.
Shigemori
,
H.
Itoh
,
K.
Nagayama
, and
K.
Kinosita
,
Biophys. J.
59
,
209
(
1991
).
31.
M.
Hibino
,
H.
Itoh
, and
K.
Kinosita
,
Biophys. J.
64
,
1789
(
1993
).
32.
M.
Schmeer
,
T.
Seipp
,
U.
Pliquett
,
S.
Kakorin
, and
E.
Neumann
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
6
,
5564
(
2004
).
33.
B.
Gabriel
and
J.
Teissié
,
Biophys. J.
76
,
2158
(
1999
).
34.
M.
Pavlin
and
D.
Miklavčič
,
Bioelectrochemistry
74
,
38
(
2008
).
35.
K. H.
Schoenbach
,
A. G.
Pakhomov
,
I.
Semenov
,
S.
Xiao
,
O. N.
Pakhomova
, and
B. L.
Ibey
,
Bioelectrochemistry
103
,
44
(
2015
).
36.
K.
A. DeBruin
and
W.
Krassowska
,
Biophys. J.
77
,
1213
(
1999
).
37.
K.
A. DeBruin
and
W.
Krassowska
,
Biophys. J.
77
,
1225
(
1999
).
38.
R. P.
Joshi
,
Q.
Hu
, and
K. H.
Schoenbach
,
IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.
10
,
778
(
2003
).
39.
K. C.
Smith
and
J. C.
Weaver
,
Biophys. J.
95
,
1547
(
2008
).
40.
G.
Pucihar
,
D.
Miklavčič
, and
T.
Kotnik
,
IEEE Trans. Biomed. Eng.
56
,
1491
(
2009
).
41.
R. S.
Son
,
K. C.
Smith
,
T. R.
Gowrishankar
,
P. T.
Vernier
, and
J. C.
Weaver
,
J. Membr. Biol.
247
,
1209
(
2014
).
42.
I. G.
Abidor
,
L. H.
Li
, and
S. W.
Hui
,
Biophys. J.
67
,
418
(
1994
).
43.
M.
Pavlin
,
M.
Kanduser
,
M.
Rebersek
,
G.
Pucihar
,
F. X.
Hart
,
R.
Magjarevic
, and
D.
Miklavcic
,
Biophys. J.
88
,
4378
(
2005
).
44.
A. L.
Garner
,
N.
Chen
,
J.
Yang
,
J.
Kolb
,
R. J.
Swanson
,
K. C.
Loftin
,
S. J.
Beebe
,
R. P.
Joshi
, and
K. H.
Schoenbach
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
32
,
2073
(
2004
).
45.
U.
Pliquett
,
R. P.
Joshi
,
V.
Sridhara
, and
K. H.
Schoenbach
,
Bioelectrochemistry
70
,
275
(
2007
).
46.
A. L.
Garner
,
G.
Chen
,
N.
Chen
,
V.
Sridhara
,
J. F.
Kolb
,
R. J.
Swanson
,
S. J.
Beebe
,
R. P.
Joshi
, and
K. H.
Schoenbach
,
Biochem. Biophys. Res. Commun.
362
,
139
(
2007
).
47.
J.
Zhuang
,
W.
Ren
,
Y.
Jing
, and
J. F.
Kolb
,
IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.
19
,
609
(
2012
).
48.
J.
Oblak
,
D.
Križaj
,
S.
Amon
,
A.
Maček-Lebar
, and
D.
Miklavčič
,
Bioelectrochemistry
71
,
164
(
2007
).
49.
Q.
Hu
,
R. P.
Joshi
, and
A.
Beskok
,
J. Appl. Phys.
106
,
024701
(
2009
).
50.
J.
Cemažar
and
T.
Kotnik
,
Electrophoresis
33
,
2867
(
2012
).
51.
M. G.
Moisescu
,
M.
Radu
,
E.
Kovacs
,
L. M.
Mir
, and
T.
Savopol
,
Biochim. Biophys. Acta—Biomembr.
1828
,
365
(
2013
).
52.
S. C.
Bürgel
,
C.
Escobedo
,
N.
Haandbæk
, and
A.
Hierlemann
,
Sens. Actuators B
210
,
82
(
2015
).
53.
A.
Tamra
,
M.
Deburghgraeve
,
D.
Dubuc
,
M.-P.
Rols
, and
K.
Grenier
, in
2016 IEEE MTT-S International Microwave Symposium
(IEEE,
2016
), pp.
1
4
.
54.
E.
Salimi
,
M.
Nikolic-Jaric
,
T.
Cabel
,
K.
Braasch
,
V.
Jung
,
M.
Butler
,
D.
Thomson
, and
G. E.
Bridges
, in
IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest
(
2013
), p.
13
.
55.
L. A.
Flanagan
,
J.
Lu
,
L.
Wang
,
S. A.
Marchenko
,
N. L.
Jeon
,
A. P.
Lee
, and
E. S.
Monuki
,
Stem Cells
26
,
656
(
2008
).
56.
M.
Toner
and
D.
Irimia
,
Annu. Rev. Biomed. Eng.
7
,
77
(
2005
).
57.
Y.
Huang
,
R.
Hölzel
,
R.
Pethig
, and
X. B.
Wang
,
Phys. Med. Biol.
37
,
1499
(
1992
).
58.
I.
Doh
and
Y.-H.
Cho
,
Sens. Actuators A
121
,
59
(
2005
).
59.
P. R. C.
Gascoyne
,
J.
Noshari
,
T. J.
Anderson
, and
F. F.
Becker
,
Electrophoresis
30
,
1388
(
2009
).
60.
S. H.
Kim
,
T.
Yamamoto
,
D.
Fourmy
, and
T.
Fujii
,
Biomicrofluidics
5
,
24114
(
2011
).
61.
N.
Hu
,
J.
Yang
,
S.
Qian
,
S. W.
Joo
, and
X.
Zheng
,
Biomicrofluidics
5
,
34121
(
2011
).
62.
S.
Park
,
D.
Ben Bassat
, and
G.
Yossifon
,
Biomicrofluidics
8
,
24117
(
2014
).
63.
M.
Nikolic-Jaric
,
T.
Cabel
,
E.
Salimi
,
A.
Bhide
,
K.
Braasch
,
M.
Butler
,
G. E.
Bridges
, and
D. J.
Thomson
,
Biomicrofluidics
7
,
024101
(
2013
).
64.
K.
Braasch
,
M.
Nikolic-Jaric
,
T.
Cabel
,
E.
Salimi
,
G. E.
Bridges
,
D. J.
Thomson
, and
M.
Butler
,
Biotechnol. Bioeng.
110
,
2902
(
2013
).
65.
R.
Pethig
,
Biomicrofluidics
4
,
022811
(
2010
).
66.
Z. R.
Gagnon
,
Electrophoresis
32
,
2466
(
2011
).
67.
T. B.
Jones
and
T. B.
Jones
,
Electromechanics of Particles
(
Cambridge University Press
,
2005
).
68.
E.
Salimi
,
K.
Braasch
,
M.
Butler
,
D. J.
Thomson
, and
G. E.
Bridges
,
Biomicrofluidics
10
,
14111
(
2016
).
69.
E.
Salimi
,
K.
Braasch
,
M.
Butler
,
D. J.
Thomson
, and
G. E.
Bridges
, in
2014 16th International Symposium on Antennas Technology and Applied Electromagnetics
(IEEE,
2014
), pp.
1
2
.
70.
M.
Nikolic-Jaric
,
S. F.
Romanuik
,
G. A.
Ferrier
,
G. E.
Bridges
,
M.
Butler
,
K.
Sunley
,
D. J.
Thomson
, and
M. R.
Freeman
,
Biomicrofluidics
3
,
034103
(
2009
).
71.
G. A.
Ferrier
,
S. F.
Romanuik
,
D. J.
Thomson
,
G. E.
Bridges
, and
M. R.
Freeman
,
Lab Chip
9
,
3406
(
2009
).
72.
P.
Ganatos
,
S.
Weinbaum
, and
R.
Pfeffer
,
J. Fluid Mech.
99
,
739
(
1980
).
73.
E. C.
Anderson
,
D. F.
Petersen
, and
R. A.
Tobey
,
Biophys. J.
10
,
630
(
1970
).
74.
G.
Hofmann
,
Iscotables: A Handbook of Data for Biological and Physical Scientists
(
Instrumentation Specialties Company
,
Lincoln, Nebraska
,
1977
).
75.
W. J.
Ellison
,
K.
Lamkaouchi
, and
J. M.
Moreau
,
J. Mol. Liq.
68
,
171
(
1996
).
76.
M.
Golzio
,
M. P.
Mora
,
C.
Raynaud
,
C.
Delteil
,
J.
Teissié
, and
M. P.
Rols
,
Biophys. J.
74
,
3015
(
1998
).
77.
Y.
Polevaya
,
I.
Ermolina
,
M.
Schlesinger
,
B. Z.
Ginzburg
, and
Y.
Feldman
,
Biochim. Biophys. Acta
1419
,
257
(
1999
).
78.
B.
Gabriel
and
J.
Teissié
,
Biochim. Biophys. Acta—Mol. Cell Res.
1266
,
171
(
1995
).
79.
M.
Usaj
and
M.
Kanduser
,
J. Membr. Biol.
245
,
583
(
2012
).
80.
M. P.
Rols
and
J.
Teissié
,
Biophys. J.
75
,
1415
(
1998
).
81.
Z.
Ji
,
S.
Member
,
S. M.
Kennedy
,
J. H.
Booske
,
S.
Member
, and
S. C.
Hagness
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
34
,
1416
(
2006
).
82.
C. S.
Djuzenova
,
U.
Zimmermann
,
H.
Frank
,
V. L.
Sukhorukov
,
E.
Richter
, and
G.
Fuhr
,
Biochim. Biophys. Acta—Biomembr.
1284
,
143
(
1996
).
83.
E.
Neumann
,
K.
Toensing
,
S.
Kakorin
,
P.
Budde
, and
J.
Frey
,
Biophys. J.
74
,
98
(
1998
).
84.
K. C.
Melikov
,
V. A.
Frolov
,
A.
Shcherbakov
,
A. V.
Samsonov
,
Y. A.
Chizmadzhev
, and
L. V.
Chernomordik
,
Biophys. J.
80
,
1829
(
2001
).
85.
G.
Pucihar
,
T.
Kotnik
,
D.
Miklavcic
, and
J.
Teissié
,
Biophys. J.
95
,
2837
(
2008
).
86.
R. S.
Son
,
T. R.
Gowrishankar
,
K. C.
Smith
, and
J. C.
Weaver
,
IEEE Trans. Biomed. Eng.
63
,
571
(
2016
).
87.
A. M.
Bowman
,
O. M.
Nesin
,
O. N.
Pakhomova
, and
A. G.
Pakhomov
,
J. Membr. Biol.
236
,
15
(
2010
).
88.
H.
Pauly
and
H.
Schwan
,
Biophys. J.
6
,
621
(
1966
).
89.
Y.
Huang
,
X.-B.
Wang
,
R.
Holzel
,
F. F.
Becker
, and
P. R. C.
Gascoyne
,
Phys. Med. Biol.
40
,
1789
(
1995
).
90.
J. A.
Fraser
and
C. L.-H.
Huang
,
Prog. Biophys. Mol. Biol.
94
,
336
(
2007
).
91.
J. A.
Hernández
and
S.
Chifflet
,
J. Membr. Biol.
176
,
41
(
2000
).
You do not currently have access to this content.