Real-time quantitation of internal metabolic activity of three-dimensional engineered tissues using an oxygen microelectrode and optical coherence tomography

使用氧微電極和光學相干斷層掃描實時量化三維工程組織內部代謝活性

來源：Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, Volume 105B, Issue 4, May 2017, Pages 855-864

《生物醫學材料研究B部分：應用生物材料》第105B卷第4期，2017年5月，第855-864頁

 

摘要：

摘要部分闡述了本研究開發了一種系統，用于實時量化三維工程組織的內部代謝活性，通過結合氧微電極測量氧濃度剖面和光學相干斷層掃描（OCT）非侵入性估計組織厚度。研究測量了三個參數：組織上方的氧濃度、培養基中形成的氧梯度以及組織內部形成的氧梯度。結果表明，只有組織內部氧梯度能有效評估組織活性，這意味著通過測量組織內部氧梯度可以實時監測工程組織的代謝活動，為開發高效培養方法和確保移植前組織質量提供支持。

 

研究目的：

研究目的是開發一種實時、非侵入性評估三維工程組織內部代謝活性的方法，以解決在再生醫學中移植前確保工程組織安全性和功能性的需求。研究旨在通過測量氧濃度剖面和組織厚度，量化組織活性，并為優化培養條件提供實時反饋機制。

 

研究思路：

研究思路是使用層疊的成肌細胞片作為三維工程組織模型，通過溫度響應培養皿制備單層、雙層和三層細胞片。研究結合了氧微電極系統（使用丹麥Unisense電極）測量垂直軸上的氧濃度剖面，以及OCT系統獲取組織橫截面圖像以估計厚度。測量在培養的第0天、第1天和第5天進行，參數包括 pericellular oxygen concentrations (POC)、培養基氧梯度 (gradOxy_medium) 和組織氧梯度 (gradOxy_tissue)。同時，通過生化分析測量葡萄糖消耗率和乳酸產生率，并利用圖像處理分析空腔比率。研究還比較了在正常培養皿和多孔膜培養插入物上的培養效果，以評估不同培養條件對組織活性的影響。

 

測量的數據及研究意義：

1 氧濃度剖面數據：來自圖2和圖4，測量了POC、gradOxy_medium和gradOxy_tissue。研究意義是這些數據直接反映了組織內部的氧分布和細胞呼吸活動，其中gradOxy_tissue與葡萄糖消耗率變化顯著相關，表明它可以作為評估組織代謝活性的可靠指標，為實時監測組織質量提供依據。

 

 

2 組織厚度數據：來自圖2和圖4的OCT圖像，通過圖像處理估計平均厚度。研究意義是厚度變化與細胞密度和空腔比率相關，顯示組織在培養過程中變得致密和扁平，這影響氧擴散和細胞活性，有助于理解組織結構的動態變化，并為優化培養方法提供形態學參考。

3 葡萄糖消耗率和乳酸產生率數據：來自圖5，通過測量培養基中葡萄糖和乳酸濃度計算得出。研究意義是這些生化參數直接指示細胞代謝活性，在多孔膜培養插入物上培養的組織顯示更高的葡萄糖消耗率，表明培養條件影響組織活力，驗證了氧梯度數據作為活性指標的有效性。

 

4 空腔比率數據：來自表I，通過OCT圖像分析計算組織中的空腔區域比例。研究意義是空腔比率隨培養時間減少，表明組織變得更致密，這影響氧和營養物質的擴散，與氧梯度數據結合，可以全面評估組織內部環境的變化。

 

 

結論：

1 組織內部氧梯度 (gradOxy_tissue) 是評估三維工程組織活性的最佳參數，它與葡萄糖消耗率變化顯著相關，可用于實時監測組織代謝狀態。

2 結合氧微電極和OCT系統，可以實現非侵入性、實時量化組織內部活動，為移植前組織質量評估提供可靠方法。

3 該測量策略有助于開發高效培養方法，通過反饋機制維持組織活力，并適用于其他工程組織研究。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense氧微電極測量的數據具有重要研究意義，主要體現在以下幾個方面：首先，電極高精度地測量了垂直軸上的氧濃度剖面（如圖2和圖4所示），能夠直接檢測組織內部和周圍的氧分布，從而反映細胞的呼吸活動。例如，研究顯示在培養初期（第0天），雙層和三層細胞片內部出現缺氧區域，氧濃度低至0.05 Csat以下，而隨著培養時間推移，缺氧區域減少，氧濃度升高到0.3-0.5 Csat，這種變化與細胞活性和代謝率直接相關。其次，通過測量組織內部氧梯度 (gradOxy_tissue)，研究證實該參數與葡萄糖消耗率變化 (ΔGCR) 呈正相關（相關系數R=0.69，p=0.012），如圖6所示，表明氧梯度可以作為一種可靠的實時指標來評估組織活力，這是因為氧梯度與氧消耗率成正比，反映了細胞的代謝強度。此外，與培養基氧梯度 (gradOxy_medium) 和POC相比，gradOxy_tissue受培養條件（如多孔膜）影響較小，更穩定地指示內部活動。意義在于，這種實時監測方法避免了破壞性檢測，為優化培養條件（如氧氣供應）提供了直接依據，并有望應用于臨床前組織質量控制和再生醫學中的個性化治療。