Tissue oxygen partial pressure as a viability metric for ex vivo brain tissue slices  

組織氧分壓作為離體腦組織切片的活力指標(biāo)

來源：Journal of Neuroscience Methods 396 (2023) 109932

 

摘要內(nèi)容

 

本研究提出了一種基于組織氧消耗率的離體腦切片存活度評估新方法。通過測量小鼠皮層腦切片中的最低氧分壓（pO????），結(jié)合氧消耗率計(jì)算和2,3,5-三苯基氯化四氮唑（TTC）染色驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)：  

pO????與氧消耗率強(qiáng)相關(guān)（無鎂人工腦脊液（aCSF）中R2=49.7%，正常aCSF中R2=42.1%），表明pO????可作為氧消耗的簡易替代指標(biāo)。  

 

pO????與TTC染色一致性高：氧消耗率越高（組織越健康），TTC染色越深（圖4a）；pO????越低，TTC染色越深（圖4b）。  

 

癲癇樣事件（SLE）頻率與氧消耗率正相關(guān)（R2=44.8%），而傳統(tǒng)指標(biāo)（如SLE振幅）與存活度無關(guān)。  

 

研究目的

 

解決離體腦切片實(shí)驗(yàn)中組織存活度評估的可靠性問題：  

驗(yàn)證pO????能否作為簡單、直接的存活度指標(biāo)。  

 

對比pO????與傳統(tǒng)電生理指標(biāo)（如SLE振幅）的優(yōu)劣。  

 

探索氧消耗與神經(jīng)活動（如SLE）的關(guān)系。  

 

研究思路

模型設(shè)計(jì)：  

 

使用400μm厚小鼠皮層腦切片，分為無鎂aCSF（誘導(dǎo)SLE活動）和正常aCSF（靜息狀態(tài)）兩組。  

 

通過丹麥Unisense微電極（50μm尖端）測量切片深度氧分壓。  

多維度驗(yàn)證：  

 

氧消耗率（Q）：基于Fick擴(kuò)散-消耗模型計(jì)算。  

 

pO????：直接讀取氧分壓剖面最低值。  

 

TTC染色：定性評估組織活性。  

 

SLE活動：記錄事件振幅、頻率。  

統(tǒng)計(jì)分析：  

 

線性回歸分析pO????與Q、TTC、SLE參數(shù)的關(guān)聯(lián)。  

 

對比不同條件（如aCSF類型、流速）對pO????的影響。  

 

測量數(shù)據(jù)、來源圖表及研究意義

pO????與氧消耗率相關(guān)性  

 

來源：圖3a-b（無鎂/正常aCSF數(shù)據(jù)）  

pO????是氧消耗率的可靠代理指標(biāo)（無需復(fù)雜計(jì)算），簡化存活度評估流程。  

氧參數(shù)與TTC染色的關(guān)聯(lián)  

 

來源：圖4a-b（TTC vs. Q / pO????）  

 

 

意義：直接證明pO????越低（或Q越高），組織越健康，驗(yàn)證其作為生物學(xué)指標(biāo)的效度。  

SLE活動與氧消耗的關(guān)系  

 

來源：無鎂aCSF數(shù)據(jù)集

 

意義：SLE頻率（而非振幅）與氧消耗正相關(guān)，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)電生理指標(biāo)作為存活度標(biāo)準(zhǔn)的可靠性。  

流速對pO????的影響  

 

來源：流速實(shí)驗(yàn)

 

意義：低流速（≤2 mL/min）顯著降低pO????，提示實(shí)驗(yàn)需控制aCSF流速≥10 mL/min以減少干擾。  

丙泊酚干預(yù)實(shí)驗(yàn)  

 

來源：數(shù)據(jù)集7（表1）  

 

意義：pO????可預(yù)測藥物效應(yīng)（如丙泊酚抑制SLE的效果與初始pO????相關(guān)），突顯其在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的實(shí)用性。  

 

結(jié)論

pO????是理想存活度指標(biāo)：  

 

與氧消耗率、TTC染色強(qiáng)相關(guān)，且測量簡便（無需全剖面掃描）。  

 

健康組織標(biāo)準(zhǔn)：無鎂aCSF中pO???? ≈0–50 mmHg；正常aCSF中pO???? ≈150–200 mmHg。  

傳統(tǒng)電生理指標(biāo)不可靠：  

 

SLE振幅與存活度無關(guān)，頻率雖相關(guān)但模型依賴性高（僅適用于無鎂aCSF）。  

應(yīng)用價值：  

 

通過預(yù)實(shí)驗(yàn)測量pO????，可篩選健康切片或匹配實(shí)驗(yàn)組間存活度，減少結(jié)果偏差（如丙泊酚實(shí)驗(yàn)）。  

 

丹麥Unisense微電極測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

技術(shù)原理與操作

設(shè)備：Clark式氧電極（Unisense，50μm尖端），極化校準(zhǔn)后插入腦片不同深度（圖1e）。  

 

關(guān)鍵步驟：  

 

校準(zhǔn)：空氣中（~155 mmHg）和0.1 M抗壞血酸鈉（0 mmHg）兩點(diǎn)校準(zhǔn)。  

 

測量模式：  

 

全剖面掃描：每50μm步進(jìn)，計(jì)算氧消耗率Q（Fick模型）。  

 

pO????快速讀取：定位最低氧分壓位置（通常深度200μm）。  

 

研究意義

量化組織代謝狀態(tài)：  

 

pO????直接反映局部氧需求：健康組織耗氧高→pO????降低（圖3a）。  

 

無鎂aCSF中pO????比正常aCSF低162 mmHg（圖3b），證明神經(jīng)活動顯著增加代謝負(fù)擔(dān)。  

解決傳統(tǒng)方法缺陷：  

 

電生理指標(biāo)（如SLE振幅）受同步性等因素干擾，與存活度無顯著關(guān)聯(lián)；pO????提供客觀、定量的生物學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。  

 

TTC染色需終止實(shí)驗(yàn)，而pO????支持實(shí)時、無損監(jiān)測（圖4a-b）。  

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

揭示aCSF流速對氧供給的影響（流速≤2 mL/min時pO????下降22.7 mmHg/mL/min），指導(dǎo)流速設(shè)置（≥10 mL/min）。  

 

提出ΔP = pO????? - pO????作為改進(jìn)指標(biāo)（R2提升至69.5%），消除表面氧分壓波動影響（公式4）。

  

 

應(yīng)用場景擴(kuò)展：  

 

藥理研究：丙泊酚實(shí)驗(yàn)中，初始pO????預(yù)測藥物抑制效果（R2=52%），避免存活度混雜因素。  

 

空間異質(zhì)性評估：多點(diǎn)測量揭示切片內(nèi)存活度差異（如圖2a位置1 vs. 8），支持精準(zhǔn)區(qū)域選擇。  

 

意義：證實(shí)

技術(shù)局限與建議

電極維護(hù)：玻璃尖端易損，需謹(jǐn)慎操作；壽命約12–18個月。  

 

深度假設(shè)：默認(rèn)pO????位于切片中點(diǎn)（200μm），實(shí)際可能因組織異質(zhì)性偏移。  

 

替代方案：熒光納米顆粒技術(shù)可空間連續(xù)成像，但成本較高。  

 

核心貢獻(xiàn)：Unisense微電極首次將pO????確立為離體腦切片存活度的金標(biāo)準(zhǔn)，為神經(jīng)科學(xué)研究提供高效、可靠的質(zhì)控工具。