Presens頂空分析儀 殘氧儀對培養箱中缺氧的在線測量

缺氧的字面意思是“缺氧"，表示身體細胞和組織中的氧氣不足。2019年，諾貝爾醫學獎授予了三位缺氧研究人員。William Kealin Jr.（美國）、Peter Ratcliffe 爵士（英國）和 Gregg Semenza（美國）揭示了細胞如何測量和調節氧氣供應的分子機制——這是生命中最重要的過程之一。由于這項開創性的研究，我們對不同水平的氧合如何調節基本生理過程有了更多的了解。

細胞以某種方式測量它們的氧氣水平，然后可以相應地調整它們的需求。為了維持正常的細胞功能，氧含量必須保持在一個相對較窄的生理范圍內，該范圍單獨適應每個組織，即所謂的生理范圍。在人體內，不同組織之間的氧濃度差異很大，因此這些值總是遠低于大氣中的氧含量（圖1）。遠低于大氣氧含量的生理值通常被稱為缺氧（= 缺氧/缺氧），盡管它們實際上對應于原位常氧。

對缺氧低氧濃度的自然適應主要由基因的轉錄激活介導，這使得短期（例如葡萄糖轉運）和長期（例如血管生成）適應機制成為可能。這在氧氣需求和氧氣供應之間創造了平衡。細胞反應的一個關鍵調節因子是轉錄因子 HIP-1（缺氧誘導因子 1），它可以激活多種基因，例如控制能量代謝、血管生長或輸氧紅細胞的合成。

在實驗室的大多數細胞培養模型中，實驗氧值均基于標準細胞培養箱中提供的值（無需特別調節氧濃度）。在標準保持為 5 % CO 2的加濕細胞培養箱中，除了大氣氣體，蒸發的水分子還會產生約 50 mbar 的氣體分壓 pH 2 O（在 37 °C 和 1013 mbar ）。在這些條件下，氧含量對應于 18.6 % O 2 (v/v)，對應于141 mmHg的氧分壓 (pO 2 ) (Wenger et al. Hypoxia (Auckl). 2015 Sep 18; 3:35 -43)。實際上，人體中沒有任何細胞具有如此高的氧氣濃度。

實驗已經多次表明，在缺氧培養（缺氧）中培養的細胞生長更快，壽命更長，壓力更小，在實驗室實驗中使用模擬體內條件的氧氣環境優化細胞生長尤為重要盡可能密切。

缺氧對生物過程中很重要，但對于大多數研究人員來說，精確控制和監測缺氧條件是極其困難的，因為只有精密儀器才能精確控制培養箱中的溫度、濕度和氣體（CO 2和 O 2）。

目前有不同的方法為培養的細胞創造缺氧條件。

其中之一涉及在標準 CO 2培養箱中使用模塊化的氣密氣室。通過使用放置在標準培養箱中的這種培養室，可以在體外降低氧氣濃度，以使細胞能夠在缺氧條件下長期生長。

另一種經常使用的方法是在所謂的“三氣"培養箱中進行低氧培養，盡管這是錯誤的描述。只添加兩種氣體 - 二氧化碳（通常）和氮氣 - 以降低氧氣含量。

然而，在這兩種培養方案中，如果將細胞用于進一步分析（例如使用顯微成像），則對缺氧或細胞過程響應缺氧條件的實時可視化變得有問題，因為它們需要從培養箱中取出。當培養箱打開時，環境空氣會重新供應氧氣，這可能會導致誤導性結果，因為氧氣濃度會在很短的時間內再次上升（圖 2）。將在環境空氣下填充到培養容器中的培養基中的氧含量調整到培養箱的氣氛所需的時間也經常被低估。

此外，一些常用的低氧檢測標記物（例如哌莫硝唑或 EF5）需要固定，因此需要通過隨后的免疫染色殺死細胞。即使使用可用于活細胞的熒光染料，也會出現環境氧濃度的問題。正是由于這個原因，使用測量設備來確定培養容器本身的實際氧氣濃度變得越來越普遍。

PreSens 產品組合包括各種合適的化學光學傳感器系統，可在不消耗氧氣、非侵入性且無需從培養箱中取出培養容器的情況下確定細胞培養的當前缺氧狀態。

對于多孔板中的細胞培養，PreSens 提供SensorDish® Reader以確定當前的缺氧狀態。SensorDish® Reader 是一款小型 24 通道讀取器，用于記錄多孔板 (SensorDishes®) 中的氧氣或 pH 值。它們在每個孔的底部包含一個傳感器點，通過透明底部無創讀取。用于氧氣 (OxoDish®) 和 pH (HydroDish®) 的 SensorDishes® 有 24 孔和 6 孔兩種形式。OxoDish® 底部的氧傳感器測量其附近介質中的氧含量。它們可以在培養箱氣氛中含氧量為 1% O 2的情況下使用。

非侵入性 PreSens VisiSens™測量原理可在多孔板和 T 型燒瓶中的靜態（未搖動）細胞培養物中成像。它將用于氧氣、pH 或 CO 2的熒光傳感器箔與 2D 讀取技術相結合，以可視化各個參數在細胞培養物中的分布。生物相容性傳感器箔可以集成到各種透明培養容器中。細胞直接在傳感器箔上培養，這意味著直接在細胞的細胞周圍微環境中進行測量。

SensorDish® Reader 和 VisiSens™ 檢測單元都可以直接安裝在培養箱中，以確保恒定的培養條件（溫度、氧氣、CO2）。可以實時監控培養箱氣氛中氧含量為 1% O2 或更多的細胞培養過程。