背景介绍：研究表明细胞在培养和组织中也可能对更为温和缺氧环境作出反应，通过复杂的基因调控反应也包括选择性激活，而这些基因大多数受到缺氧反应因子的影响。在细胞培养实验中控制细胞外围的氧分压通常是通过修复细胞培养上方的气相介质中的氧分压，然而细胞外围的氧分压还取决于培养基是否搅拌，细胞的数量和他们的代谢率在一个特定培养环境中以及扩散介质表面到瓶底的距离，本论文的的研究人员采用了一种新的检测的手段（unisense）实现了对细胞周围氧张力检测，以及对个别细胞集落的局部效应的氧分压的监测成为可能。


Unisense微电极系统的应用


应用了克拉克型的Unisense氧气微电极（尖端直径为10um）测试了培养基环境中的细胞周围的氧分压，其中所研究的培养物放置在人工操作的显微镜上并置于培养箱内。所有的测量都在培养箱内进行，氧微电极以30度角度插入到培养基环境中对细胞周围的氧分压进行测试。


实验结果


研究表明尽管暴露于环境空气的氧分压下，传统的贴壁细胞在进行培养时可能会经历细胞周围氧分压低于维持充分氧化代谢所需的水平。当细胞进行培养时，消耗氧的报告的更明显，细胞培养是在氧分压降低的情况下培养的(降低到4%左右的氧)。研究结果说明，如果不测量培养细胞周围的氧分压，是不可能的与体外培养结果联系起来的(例如基因表达与氧分压有关细胞所表达的)，而这一浓度可能会大大偏离记录在气相中的氧浓度。

图1、在培养箱内测量氧分压的装置显示。氧微电极传感器安装在倒置的奥林巴斯CK41显微镜上，微电极使用了微操作控制台进行控制。

图2、研究了氧微电极传感器在皮安表中对应的线性响应随传感器尖端周围氧分压的变化规律

图3、常规培养的T-47D细胞对应的氧分压曲线(即氧分压与瓶底以上高度距离的函数图)。在第0天，每个烧瓶接种5×106或102个细胞，培养的细胞环境中为含5%二氧化碳的大气。图中的符号○□△◇分别代表的是1-、2-、3-和培养4天的培养基中的氧浓度剖面图，每瓶对应的是0.5×106个细胞，第0天接种时，所有这些剖面图都表示的是测量的尖端直接落在菌落的顶部的测量值。然而，对于3天和4天的细胞培养物，获得的数据是微电极的测量尖端与菌落之间的结束位置。如(b)所示,分别培养4天和7天，每个烧瓶接种106个细胞。

图4、第7天培养T-47D细胞。每个烧瓶接种106个细胞，在含氧浓度为19%的体系中生长。

图5、表面底部氧分压差值对应5×105细胞/培养皿接种时间的函数图。第7天培养时，细胞周围的氧分压低于缺氧呼吸水平(1.3%)。开放的圆圈表示细胞在含4%氧气的环境中生长，封闭的圆圈表示含19%氧气的环境中生长。


总结


细胞正常培养的过程中，尽管可通过在气相中环境中控制培养环境中高而恒定的氧气浓度，但是细胞周围的氧分压的会随着培养的进行会急剧的降低，因此每个细胞耗氧量由培养基中氧分压曲线计算获得的。研究人员发现某些哺乳动物细胞培养中生长时，氧分压程度存在重要差异。氧在细胞培养基中的扩散速率较低，由于正常的呼吸作用，氧分压的降低通常在细胞附近发生。因此为了标准化和优化，监测细胞周围的氧分压和细胞的耗氧量非常重要。


研究人员首次应用了丹麦unisense公司集成的氧微电极系统，该套系统（unisense微剖面分析系统）使用的是克拉克型的微电极与皮安表结合使用，在显微镜的配合下可实现对细胞周围的氧浓度分压的在线监测，由于使用的电极的尖端非常细（5um-500um之间，）可进入穿刺入到覆盖细胞培养层处1.6毫米深的介质层区域测试垂直横断面区域的氧浓度剖面，获得相关的氧浓度剖面数据对于研究人员分析细胞培养过程中的耗氧提供了重要的数据支持，为研究人员在相应的细胞或组织培养方案中提供重要的理论指导，这说明unisense这套剖面分析系统在细胞培养等领域存在很好的应用前景。