基于presens光纖氧氣傳感器的細胞培養氧分壓測試實驗

般情況下，細胞培養是把傳代好的細胞放入培養瓶或培養皿中，然后把培養瓶或培養皿放入設置好溫度和二氧化碳體積分數的培養箱中進行培養．由于細胞在代謝過程中需要消耗氧氣，有氧氣交換過程，因此培養瓶或培養皿的蓋子不能擰緊．在培養液中氧的體積分數和空氣中的氧的體積分數處于平衡狀態下，細胞的生存、繁殖、變異會受培養液中的氧分壓的影響．在平衡態下，氣相中氧氣的體積分數２１％對應液相中氧分壓２１ｋＰａ．然而，在實際的細胞培養中，培養液中的氧分壓盡管接近２１ｋＰａ，但是也要受到２個因素的影響：其一是媒質給細胞的供氧能力；其二是細胞的耗氧能力．通常情況下，在培養細胞時，不會考慮培養液中的氧分壓，因為，在培養過程中會給細胞提供足夠的氧．但是，在某些情況下，比如活體干細胞的培養和移植過程中，干細胞的生長對氧分壓非常敏感，２００８年Ｓｉｍｏｎ　ａｎｄ　Ｋｅｉｔｈ以及Ｌｉｎ等研究表明，干細胞適于在低氧分壓環境下生存．在低氧環境下，通過改變氧分壓的值，可以修改干細胞的外型．因此，一些研究者認為，細胞周圍的氧分壓是能夠反映細胞的功能狀態（包括細胞分化、生長、線粒體的能量代謝）的重要因素之一．因此，對細胞培養過程中的氧分壓進行監測具有重要的意義．

活體外的氧分壓監測的標準方法為Ｃｌａｒｋｅｔｙｐｅ電極法：電極法的傳感器由電解液以及處于其中的陰極和陽極組成，電解液由外層能夠滲透氧氣的膜包圍．當氧氣通過薄膜和電解液擴散到達陰極時，陰極附近的氫氧根離子會減少．陰極提供電子給氧分子，同時在陰極和陽極間的電流與樣品的氧分壓成正比．由于電極本身消耗氧氣，因此電極法測得的氧分壓值將低于實際值．在Ｐｅｔｔｅｒｓｅｎ等的研究中，用微電極監測靜態條件下的細胞培養的氧分壓，測量發現細胞周圍的氧含量和環境空氣中的氧含量有顯著差別．另一方法是使用氧敏感的熒光體溶解在介質中測量氧分壓，但是敏感的熒光團可能對細胞有毒性．以上傳感方法存在缺點（如費用高、有限的使用壽命、響應時間長等），不適合持續監測細胞培養過程中的氧分壓變化．因為電化學傳感器本身消耗氧氣，再者溶氧敏感熒光團的組織培養需要遠離培養箱才能讀取有用的信息．為了克服這些缺點，基于熒光淬滅的氧傳感器為測量活體外氧分壓提供了另一種選擇．有研究報道，把柔性的傳感器放到細胞培養瓶中監測氧分壓值，但是大體積的光學系統很難放入傳統的細胞培養箱中．

本文介紹將光纖氧氣傳感器用于監測培養液中細胞的氧分壓的實驗方法．以presens的熒光傳感材料，作為氧傳感發光材料，以聚乙烯（甲基丙烯酸乙酯，ＰＥＭＡ）作為基體固定發光體．把氧傳感發光材料涂覆在圓柱形光纖的拋光面上，光纖后端有光纖分接頭，可以與ＬＥＤ激發光源和計算機處理系統相連，這樣就組成了基于光纖氧傳感器的細胞培養氧分壓的監測系統．該系統可以測量液相中的氧分壓變化，實驗結果表明：細胞密度越高，處于空氣環境的培養液中的氧分壓越低．

以ＰＫ－１５細胞為實驗樣品，對細胞周圍的氧分壓值進行了測試．實驗結果表明：隨著細胞密度的增高，測得的氧分壓的數據越小．通過與細胞計數的結果進行對比，也實驗證明了光纖氧氣傳感器能夠對培養液中細胞周圍的氧分壓進行監測，細胞培養中液相中的氧分壓水平不僅依賴于細胞培養環境氣相中的氧分壓，而且也依賴于細胞的密度和細胞代謝．因此在細胞培養過程中需要監視和控制氧分壓水平，以維持在一般生理條件下的細胞培養，并且使實驗條件具有可復制性和可比性．

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