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(xué)相干斷層掃描技術(shù)實時量化三維工程組織的內(nèi)部代謝活動

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

《生物醫(yī)學(xué)材料研究B部分：應(yīng)用生物材料雜志》，第105B卷第4期，2017年5月，第855-864頁

 

摘要

摘要部分闡述了研究開發(fā)了一個系統(tǒng)，用于實時量化三維工程組織的內(nèi)部代謝活動，以評估其質(zhì)量。系統(tǒng)結(jié)合了氧微電極和光學(xué)相干斷層掃描（OCT）技術(shù)，通過測量沿垂直軸的氧濃度剖面和從OCT獲取的組織厚度，實時獲取三個參數(shù)：組織上方的氧濃度、培養(yǎng)基中的氧梯度、組織內(nèi)的氧梯度。研究發(fā)現(xiàn)，只有組織內(nèi)的氧梯度能有效評估組織活性，表明通過測量組織內(nèi)氧梯度可以實時監(jiān)測工程組織的活性。該方法可用于開發(fā)更高效的培養(yǎng)方法，并實時確認(rèn)組織質(zhì)量。

 

研究目的

研究目的是開發(fā)一種實時、非侵入性的方法來評估三維工程組織的內(nèi)部代謝活動，確保移植前組織的安全性和功能性。具體目標(biāo)是量化組織活性參數(shù)，以便在培養(yǎng)過程中實時監(jiān)測組織質(zhì)量，并為組織工程提供質(zhì)量控制手段。

 

研究思路

研究思路是使用分層肌母細(xì)胞片作為三維工程組織模型，結(jié)合氧微電極系統(tǒng)測量氧濃度剖面，并用OCT系統(tǒng)非侵入性地獲取組織厚度和結(jié)構(gòu)信息。通過在不同時間點（如第0天、第1天、第5天）測量組織在正常培養(yǎng)皿和細(xì)胞培養(yǎng)插入物（CCI）下的參數(shù)，比較三個候選參數(shù)（組織上方氧濃度、培養(yǎng)基氧梯度、組織內(nèi)氧梯度）與代謝活性指標(biāo)（如葡萄糖消耗率變化）的相關(guān)性，以確定最佳活性評估參數(shù)。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 組織厚度數(shù)據(jù)：通過OCT系統(tǒng)獲取三維工程組織的厚度和空隙比，研究意義是評估組織結(jié)構(gòu)的完整性和密度變化，反映組織在培養(yǎng)過程中的形態(tài)演變，數(shù)據(jù)來自表1和圖2、圖4。

 

 

 

2 氧濃度參數(shù)數(shù)據(jù)：使用氧微電極測量氧濃度剖面，包括 pericellular oxygen concentrations (POC)、培養(yǎng)基氧梯度 (gradOxy_medium)、組織內(nèi)氧梯度 (gradOxy_tissue)，研究意義是量化局部氧環(huán)境，評估氧供應(yīng)與消耗的平衡，但POC和gradOxy_medium與活性相關(guān)性弱，而gradOxy_tissue能直接反映代謝活性，數(shù)據(jù)來自圖1、圖2、圖4、圖6。

 

 

3 代謝率數(shù)據(jù)：通過生化分析測量葡萄糖消耗率（GCR）和乳酸產(chǎn)生率（LPR），研究意義是作為組織內(nèi)部代謝活性的參考指標(biāo)，用于驗證氧梯度參數(shù)的可靠性，數(shù)據(jù)來自圖5。

 

 

結(jié)論

1 組織內(nèi)的氧梯度 (gradOxy_tissue) 是評估三維工程組織活性的最佳參數(shù)，與葡萄糖消耗率變化顯著相關(guān)，能實時反映細(xì)胞氧消耗率。

2 其他參數(shù)如組織上方氧濃度和培養(yǎng)基氧梯度與活性相關(guān)性不顯著，因受外部因素（如氣體相位或?qū)α鳎┯绊憽?

3 該系統(tǒng)可實現(xiàn)非侵入性實時監(jiān)測，為組織工程的質(zhì)量控制和培養(yǎng)優(yōu)化提供方法。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量的數(shù)據(jù)是氧濃度剖面，通過Clark型氧微電極在垂直軸上以高空間分辨率（步長40μm）獲取氧分布。這些數(shù)據(jù)的研究意義在于直接量化組織內(nèi)的氧梯度，從而反映細(xì)胞的氧消耗率（OCR）。測量顯示，組織內(nèi)氧梯度與代謝活性強相關(guān)，因為梯度大小取決于氧擴散和細(xì)胞呼吸的平衡，高梯度表明高代謝活性。這證實了氧消耗可作為組織活性的可靠指標(biāo)，類似于先前研究中對胰島細(xì)胞的質(zhì)量評估。此外，該方法無需破壞組織，支持實時反饋，適用于開發(fā)高效培養(yǎng)策略。數(shù)據(jù)還揭示了在細(xì)胞培養(yǎng)插入物下氧梯度的非線性特征，可能源于培養(yǎng)基對流，突出了在靜態(tài)培養(yǎng)中控制環(huán)境的重要性。