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)相干斷層掃描實(shí)時(shí)量化三維工程組織內(nèi)部代謝活性

來(lái)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》第105B卷第4期，2017年5月，第855-864頁(yè)

 

摘要：

摘要部分闡述了本研究開(kāi)發(fā)了一種系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)量化三維工程組織的內(nèi)部代謝活性，通過(guò)結(jié)合氧微電極測(cè)量氧濃度剖面和光學(xué)相干斷層掃描（OCT）非侵入性估計(jì)組織厚度。研究測(cè)量了三個(gè)參數(shù)：組織上方的氧濃度、培養(yǎng)基中形成的氧梯度以及組織內(nèi)部形成的氧梯度。結(jié)果表明，只有組織內(nèi)部氧梯度能有效評(píng)估組織活性，這意味著通過(guò)測(cè)量組織內(nèi)部氧梯度可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工程組織的代謝活動(dòng)，為開(kāi)發(fā)高效培養(yǎng)方法和確保移植前組織質(zhì)量提供支持。

 

研究目的：

研究目的是開(kāi)發(fā)一種實(shí)時(shí)、非侵入性評(píng)估三維工程組織內(nèi)部代謝活性的方法，以解決在再生醫(yī)學(xué)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(guò)測(cè)量氧濃度剖面和組織厚度，量化組織活性，并為優(yōu)化培養(yǎng)條件提供實(shí)時(shí)反饋機(jī)制。

 

研究思路：

研究思路是使用層疊的成肌細(xì)胞片作為三維工程組織模型，通過(guò)溫度響應(yīng)培養(yǎng)皿制備單層、雙層和三層細(xì)胞片。研究結(jié)合了氧微電極系統(tǒng)（使用丹麥Unisense電極）測(cè)量垂直軸上的氧濃度剖面，以及OCT系統(tǒng)獲取組織橫截面圖像以估計(jì)厚度。測(cè)量在培養(yǎng)的第0天、第1天和第5天進(jìn)行，參數(shù)包括 pericellular oxygen concentrations (POC)、培養(yǎng)基氧梯度 (gradOxy_medium) 和組織氧梯度 (gradOxy_tissue)。同時(shí)，通過(guò)生化分析測(cè)量葡萄糖消耗率和乳酸產(chǎn)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(yǎng)皿和多孔膜培養(yǎng)插入物上的培養(yǎng)效果，以評(píng)估不同培養(yǎng)條件對(duì)組織活性的影響。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1 氧濃度剖面數(shù)據(jù)：來(lái)自圖2和圖4，測(cè)量了POC、gradOxy_medium和gradOxy_tissue。研究意義是這些數(shù)據(jù)直接反映了組織內(nèi)部的氧分布和細(xì)胞呼吸活動(dòng)，其中g(shù)radOxy_tissue與葡萄糖消耗率變化顯著相關(guān)，表明它可以作為評(píng)估組織代謝活性的可靠指標(biāo)，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)組織質(zhì)量提供依據(jù)。

 

 

2 組織厚度數(shù)據(jù)：來(lái)自圖2和圖4的OCT圖像，通過(guò)圖像處理估計(jì)平均厚度。研究意義是厚度變化與細(xì)胞密度和空腔比率相關(guān)，顯示組織在培養(yǎng)過(guò)程中變得致密和扁平，這影響氧擴(kuò)散和細(xì)胞活性，有助于理解組織結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，并為優(yōu)化培養(yǎng)方法提供形態(tài)學(xué)參考。

3 葡萄糖消耗率和乳酸產(chǎn)生率數(shù)據(jù)：來(lái)自圖5，通過(guò)測(cè)量培養(yǎng)基中葡萄糖和乳酸濃度計(jì)算得出。研究意義是這些生化參數(shù)直接指示細(xì)胞代謝活性，在多孔膜培養(yǎng)插入物上培養(yǎng)的組織顯示更高的葡萄糖消耗率，表明培養(yǎng)條件影響組織活力，驗(yàn)證了氧梯度數(shù)據(jù)作為活性指標(biāo)的有效性。

 

4 空腔比率數(shù)據(jù)：來(lái)自表I，通過(guò)OCT圖像分析計(jì)算組織中的空腔區(qū)域比例。研究意義是空腔比率隨培養(yǎng)時(shí)間減少，表明組織變得更致密，這影響氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散，與氧梯度數(shù)據(jù)結(jié)合，可以全面評(píng)估組織內(nèi)部環(huán)境的變化。

 

 

結(jié)論：

1 組織內(nèi)部氧梯度 (gradOxy_tissue) 是評(píng)估三維工程組織活性的最佳參數(shù)，它與葡萄糖消耗率變化顯著相關(guān)，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)組織代謝狀態(tài)。

2 結(jié)合氧微電極和OCT系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)非侵入性、實(shí)時(shí)量化組織內(nèi)部活動(dòng)，為移植前組織質(zhì)量評(píng)估提供可靠方法。

3 該測(cè)量策略有助于開(kāi)發(fā)高效培養(yǎng)方法，通過(guò)反饋機(jī)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(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense氧微電極測(cè)量的數(shù)據(jù)具有重要研究意義，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，電極高精度地測(cè)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(cè)組織內(nèi)部和周圍的氧分布，從而反映細(xì)胞的呼吸活動(dòng)。例如，研究顯示在培養(yǎng)初期（第0天），雙層和三層細(xì)胞片內(nèi)部出現(xiàn)缺氧區(qū)域，氧濃度低至0.05 Csat以下，而隨著培養(yǎng)時(shí)間推移，缺氧區(qū)域減少，氧濃度升高到0.3-0.5 Csat，這種變化與細(xì)胞活性和代謝率直接相關(guān)。其次，通過(guò)測(cè)量組織內(nèi)部氧梯度 (gradOxy_tissue)，研究證實(shí)該參數(shù)與葡萄糖消耗率變化 (ΔGCR) 呈正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)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(shí)時(shí)指標(biāo)來(lái)評(píng)估組織活力，這是因?yàn)檠跆荻扰c氧消耗率成正比，反映了細(xì)胞的代謝強(qiáng)度。此外，與培養(yǎng)基氧梯度 (gradOxy_medium) 和POC相比，gradOxy_tissue受培養(yǎng)條件（如多孔膜）影響較小，更穩(wěn)定地指示內(nèi)部活動(dòng)。意義在于，這種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法避免了破壞性檢測(cè)，為優(yōu)化培養(yǎng)條件（如氧氣供應(yīng)）提供了直接依據(jù)，并有望應(yīng)用于臨床前組織質(zhì)量控制和再生醫(yī)學(xué)中的個(gè)性化治療。