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

細胞培養環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

《生物技術與生物工程》，第112卷，第6期，2015年6月，第1263-1274頁

 

摘要

論文摘要闡述了研究團隊開發了一種直接測量局部溶解氧濃度空間剖面的系統，使用Clark型氧氣微電極，以1微米精度在三維空間中操作。該系統應用于靜態單層培養的大鼠或人類心臟細胞，成功獲得了培養基中的氧濃度空間分布。理論定量預測與測量數據吻合良好。通過分析樣本間的方差，發現數據反映了微電極附近的局部氧消耗，并且檢測培養細胞氧消耗率時間變化的能力受氧在培養基中擴散速率的限制。該氧測量系統以高空間分辨率監測局部氧消耗和產生，有望與近期開發的氧調制生物材料結合使用，用于設計微環境和非侵入性監測培養過程中的局部氧動態。

 

研究目的

研究目的是開發一個高空間分辨率的測量系統，直接測量細胞培養環境中的局部溶解氧濃度空間剖面。控制局部溶解氧濃度對細胞或組織培養至關重要，因為氧濃度強烈影響細胞行為，如胚胎發生、干細胞維持和血管生成。該系統旨在測試氧調制材料的設計是否合理，并推進組織工程研究，通過直接測量先前理論預測的氧剖面，彌補熒光傳感器在厚組織或液相測量中的不足。

 

研究思路

研究思路首先開發一個測量系統，使用丹麥Unisense的Clark型氧氣微電極，通過電機驅動和計算機控制的三維微操縱器，以1微米精度定位電極尖端。系統在缺氧工作站中運行，控制濕度和氣體條件。通過電子天平檢測培養皿底部位置作為參考點，確保測量位置精確。應用該系統測量靜態單層培養的心臟細胞（如大鼠心肌細胞和人類誘導多能干細胞衍生心肌細胞）的氧濃度空間分布，包括水平和垂直方向剖面。通過數值模擬驗證測量結果，并評估細胞氧消耗率。最后，測試系統對藥物（如維拉帕米）引起的氧消耗率變化的響應時間，探討擴散限制的影響。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了具有細胞密度突變的樣本中的水平氧濃度剖面，數據來自圖2C。研究意義在于證明系統能監測局部氧消耗，空間分辨率高，反映了細胞密度和組成比例的局部差異，顯示系統能捕捉連續組織中的局部狀態。

 

2 測量了垂直氧濃度剖面在特定位點（x=4500μm和5500μm），數據來自圖2D。研究意義在于顯示即使位點間距離僅1毫米，氧剖面也顯著不同，驗證系統能檢測局部細胞密度變化，精度在垂直方向達40-50微米。

3 測量了二維空間氧分布 between x=4500μm和5500μm along x和z坐標，數據來自圖2E。研究意義在于可視化氧濃度梯度與細胞密度突變的關系，并通過與理論預測一致，確認測量數據在水平方向50微米和垂直方向40-50微米內的準確性。

4 測量了hiPSC衍生心肌細胞的垂直氧剖面，通過平均三次測量獲得線性剖面，數據來自圖4A和4B。研究意義在于基于氧通量和細胞密度估計氧消耗率，提供hiPSC-CMs的代謝數據，平均OCR為0.55±0.17 pmol/h/細胞，顯示與心肌細胞比例正相關，有助于理解細胞成熟度和代謝異質性。

 

5 測量了維拉帕米注射后的氧濃度和OCR時間變化，數據來自圖5B、5C、5D、5E和5F。研究意義在于證明系統能檢測OCR的瞬時變化（OCR在13.9分鐘內下降至59%），但響應時間受氧擴散限制（理論時間常數約8分鐘），實際測量與理論一致，顯示系統在監測局部代謝變化方面的潛力和局限性。

 

 

結論

1 成功開發了一個高空間分辨率的氧測量系統，能直接測量局部溶解氧濃度空間剖面，反映局部細胞氧消耗行為。

2 測量數據與理論預測吻合良好，驗證了系統的準確性，空間分辨率在水平方向50微米，垂直方向40-50微米。

3 系統能估計hiPSC衍生心肌細胞的氧消耗率，并檢測藥物引起的瞬時變化，但受氧擴散速率限制。

4 該系統有潛力用于監測局部氧消耗和產生，結合氧調制生物材料，設計微環境和非侵入性監測培養過程，但需進一步測試在3D組織構建中的應用。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義在于其提供了高空間分辨率（1微米精度）和實時性的局部溶解氧濃度直接測量能力。Unisense的Clark型氧氣微電極能精確三維定位，彌補了熒光傳感器在厚組織或非錨定液相測量中的不足。測量數據直接驗證了氧擴散理論模型，顯示系統能捕捉局部細胞代謝差異，如細胞密度突變區域的氧濃度變化。在hiPSC-CMs應用中，數據成功估計了氧消耗率，并顯示與心肌細胞比例的正相關性，為細胞代謝研究提供了定量工具。此外，在藥物響應測試中，數據揭示了氧擴散對檢測時間的影響（響應時間約10-14分鐘），強調系統在監測瞬時變化時的限制，但整體上推動了組織工程中對微環境氧動態的理解。該系統為設計生物材料和優化培養條件提供了關鍵數據，有望應用于更復雜的3D組織模型。