基于presens光纤氧气传感器的细胞培养氧分压测试实验

一般情况下，细胞培养是把传代好的细胞放入培养瓶或培养皿中，然后把培养瓶或培养皿放入设置好温度和二氧化碳体积分数的培养箱中进行培养．由于细胞在代谢过程中需要消耗氧气，有氧气交换过程，因此培养瓶或培养皿的盖子不能拧紧．在培养液中氧的体积分数和空气中的氧的体积分数处于平衡状态下，细胞的生存、繁殖、变异会受培养液中的氧分压的影响．在平衡态下，气相中氧气的体积分数２１％对应液相中氧分压２１ｋＰａ．然而，在实际的细胞培养中，培养液中的氧分压尽管接近２１ｋＰａ，但是也要受到２个因素的影响：其一是媒质给细胞的供氧能力；其二是细胞的耗氧能力．通常情况下，在培养细胞时，不会考虑培养液中的氧分压，因为，在培养过程中会给细胞提供足够的氧．但是，在某些情况下，比如活体干细胞的培养和移植过程中，干细胞的生长对氧分压非常敏感，２００８年Ｓｉｍｏｎ　ａｎｄ　Ｋｅｉｔｈ以及Ｌｉｎ等研究表明，干细胞适于在低氧分压环境下生存．在低氧环境下，通过改变氧分压的值，可以修改干细胞的外型．因此，一些研究者认为，细胞周围的氧分压是能够反映细胞的功能状态（包括细胞分化、生长、线粒体的能量代谢）的重要因素之一．因此，对细胞培养过程中的氧分压进行监测具有重要的意义．

活体外的氧分压监测的标准方法为Ｃｌａｒｋｅｔｙｐｅ电极法：电极法的传感器由电解液以及处于其中的阴极和阳极组成，电解液由外层能够渗透氧气的膜包围．当氧气通过薄膜和电解液扩散到达阴极时，阴极附近的氢氧根离子会减少．阴极提供电子给氧分子，同时在阴极和阳极间的电流与样品的氧分压成正比．由于电极本身消耗氧气，因此电极法测得的氧分压值将低于实际值．在Ｐｅｔｔｅｒｓｅｎ等的研究中，用微电极监测静态条件下的细胞培养的氧分压，测量发现细胞周围的氧含量和环境空气中的氧含量有显著差别．另一方法是使用氧敏感的荧光体溶解在介质中测量氧分压，但是敏感的荧光团可能对细胞有毒性．以上传感方法存在缺点（如费用高、有限的使用寿命、响应时间长等），不适合持续监测细胞培养过程中的氧分压变化．因为电化学传感器本身消耗氧气，再者溶氧敏感荧光团的组织培养需要远离培养箱才能读取有用的信息．为了克服这些缺点，基于荧光淬灭的氧传感器为测量活体外氧分压提供了另一种选择．有研究报道，把柔性的传感器放到细胞培养瓶中监测氧分压值，但是大体积的光学系统很难放入传统的细胞培养箱中．

本文介绍将光纤氧气传感器用于监测培养液中细胞的氧分压的实验方法．以presens的荧光传感材料，作为氧传感发光材料，以聚乙烯（甲基丙烯酸乙酯，ＰＥＭＡ）作为基体固定发光体．把氧传感发光材料涂覆在圆柱形光纤的抛光面上，光纤后端有光纤分接头，可以与ＬＥＤ激发光源和计算机处理系统相连，这样就组成了基于光纤氧传感器的细胞培养氧分压的监测系统．该系统可以测量液相中的氧分压变化，实验结果表明：细胞密度越高，处于空气环境的培养液中的氧分压越低．

以ＰＫ－１５细胞为实验样品，对细胞周围的氧分压值进行了测试．实验结果表明：随着细胞密度的增高，测得的氧分压的数据越小．通过与细胞计数的结果进行对比，也实验证明了光纤氧气传感器能够对培养液中细胞周围的氧分压进行监测，细胞培养中液相中的氧分压水平不仅依赖于细胞培养环境气相中的氧分压，而且也依赖于细胞的密度和细胞代谢．因此在细胞培养过程中需要监视和控制氧分压水平，以维持在一般生理条件下的细胞培养，并且使实验条件具有可复制性和可比性．

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