Direct Measurement of Local Dissolved Oxygen Concentration Spatial Profiles in a Cell Culture Environment

細胞培養(yǎng)環(huán)境中局部溶解氧濃度空間剖面的直接測量

來源：Biotechnology and Bioengineering, Volume 112, Issue 6, June 2015, pages 1263-1274

《生物技術(shù)與生物工程》，第112卷第6期，2015年6月，第1263-1274頁

 

摘要

摘要部分闡述了控制局部溶解氧濃度（DO）在細胞或組織培養(yǎng)中至關(guān)重要，各種生物材料和方法被開發(fā)用于調(diào)節(jié)DO，但直接測量培養(yǎng)中的局部DO尚未被驗證為測試DO調(diào)節(jié)的方法。本研究開發(fā)了一個DO測量系統(tǒng)，配備Clark型氧微電極，在三維空間中以1μm精度操作，用于探索組織工程的應用。通過精確確定微電極尖端相對于培養(yǎng)皿底面的位置，在大鼠或人類心臟細胞靜態(tài)單層培養(yǎng)中成功獲得了介質(zhì)中DO的空間分布。理論定量預測與數(shù)據(jù)吻合良好。基于樣本間方差分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)反映了微電極附近的“局部”氧消耗，并且檢測培養(yǎng)細胞氧消耗率時間變化的能力受氧在介質(zhì)中擴散速率的限制。該系統(tǒng)能以高空間分辨率監(jiān)測局部氧消耗和產(chǎn)生，潛在地可與近期開發(fā)的氧調(diào)節(jié)生物材料結(jié)合使用，以設(shè)計微環(huán)境并非侵入性監(jiān)測培養(yǎng)過程中的局部DO動態(tài)。

 

研究目的

研究目的是開發(fā)一個高精度的溶解氧濃度測量系統(tǒng)，能夠直接測量細胞培養(yǎng)環(huán)境中的局部DO空間分布，以驗證氧調(diào)節(jié)材料的有效性，并監(jiān)測局部DO動態(tài)，從而優(yōu)化組織工程中的微環(huán)境設(shè)計。

 

研究思路

研究思路是使用Clark型氧微電極（丹麥Unisense產(chǎn)品）構(gòu)建一個三維高精度測量系統(tǒng)，在靜態(tài)單層培養(yǎng)模型中測量DO空間分布。具體步驟包括：在缺氧工作站中控制環(huán)境，通過微電極在培養(yǎng)介質(zhì)中沿水平和垂直軸掃描測量DO；使用大鼠或人類誘導多能干細胞來源的心肌細胞（hiPSC-CMs）作為模型，創(chuàng)建細胞密度突變的樣品；測量DO剖面后，與理論擴散模型模擬結(jié)果比較；并通過注射verapamil（鈣通道阻滯劑）誘導細胞氧消耗率變化，檢測DO剖面的時間響應。數(shù)據(jù)采集包括電極位置和DO信號，通過軟件記錄和分析。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1 局部DO空間分布數(shù)據(jù)：測量培養(yǎng)介質(zhì)中沿水平軸（x坐標）和垂直軸（z坐標）的DO剖面，顯示在細胞層區(qū)域DO變化顯著，而在無細胞區(qū)域DO恒定較高。研究意義是直接驗證局部氧消耗的異質(zhì)性，為理論模型提供實驗支持，數(shù)據(jù)來自圖2和圖3。

 

 

2 氧消耗率（OCR）估計數(shù)據(jù)：基于垂直DO剖面計算hiPSC-CMs的OCR，平均值為0.55±0.17 pmol/h/細胞，并顯示OCR與心肌細胞比例正相關(guān)。研究意義是量化細胞代謝活性，有助于優(yōu)化培養(yǎng)條件，數(shù)據(jù)來自圖4。

 

3 DO剖面時間變化數(shù)據(jù)：測量verapamil注射后DO剖面的動態(tài)響應，顯示OCR在約10-14分鐘內(nèi)下降至基線59%，POC相應增加。研究意義是證明系統(tǒng)能監(jiān)測實時代謝變化，評估藥物影響，數(shù)據(jù)來自圖5。

 

 

結(jié)論

1 開發(fā)的測量系統(tǒng)能高分辨率地監(jiān)測局部DO空間分布，反映細胞局部氧消耗，且數(shù)據(jù)與理論預測一致。

2 系統(tǒng)能檢測細胞代謝變化，如verapamil誘導的OCR下降，但響應時間受氧擴散速率限制。

3 該方法適用于組織工程，可用于評估生物材料和非侵入性監(jiān)測微環(huán)境DO動態(tài)。

 

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)是局部溶解氧濃度，通過Clark型微電極以1μm精度在三維空間中實時記錄。這些數(shù)據(jù)的研究意義在于提供了高空間分辨率的DO剖面，能直接揭示細胞培養(yǎng)微環(huán)境中的氧梯度，從而克服傳統(tǒng)方法的局限性（如熒光傳感器在厚組織或液相中的不適用性）。例如，測量顯示細胞層附近DO顯著降低，驗證了局部氧消耗的異質(zhì)性，并與理論擴散模型吻合，支持了組織工程中微環(huán)境設(shè)計的優(yōu)化。此外，電極能監(jiān)測實時變化，如verapamil注射后OCR的快速下降，表明其在藥物篩選和代謝研究中的實用性。Unisense電極的高精度和可靠性使其成為研究細胞-微環(huán)境相互作用的關(guān)鍵工具，有助于推進再生醫(yī)學和組織工程應用。