Presens顶空分析仪 残氧仪对培养箱中缺氧的在线测量

缺氧的字面意思是“缺氧”，表示身体细胞和组织中的氧气不足。2019年，诺贝尔医学奖授予了三位缺氧研究人员。William Kealin Jr.（美国）、Peter Ratcliffe 爵士（英国）和 Gregg Semenza（美国）揭示了细胞如何测量和调节氧气供应的分子机制——这是生命中最重要的过程之一。由于这项开创性的研究，我们对不同水平的氧合如何调节基本生理过程有了更多的了解。

细胞以某种方式测量它们的氧气水平，然后可以相应地调整它们的需求。为了维持正常的细胞功能，氧含量必须保持在一个相对较窄的生理范围内，该范围单独适应每个组织，即所谓的生理范围。在人体内，不同组织之间的氧浓度差异很大，因此这些值总是远低于大气中的氧含量（图1）。远低于大气氧含量的生理值通常被称为缺氧（= 缺氧/缺氧），尽管它们实际上对应于原位常氧。

对缺氧低氧浓度的自然适应主要由基因的转录激活介导，这使得短期（例如葡萄糖转运）和长期（例如血管生成）适应机制成为可能。这在氧气需求和氧气供应之间创造了平衡。细胞反应的一个关键调节因子是转录因子 HIP-1（缺氧诱导因子 1），它可以激活多种基因，例如控制能量代谢、血管生长或输氧红细胞的合成。

在实验室的大多数细胞培养模型中，实验氧值均基于标准细胞培养箱中提供的值（无需特别调节氧浓度）。在标准保持为 5 % CO 2的加湿细胞培养箱中，除了大气气体，蒸发的水分子还会产生约 50 mbar 的气体分压 pH 2 O（在 37 °C 和 1013 mbar ）。在这些条件下，氧含量对应于 18.6 % O 2 (v/v)，对应于141 mmHg的氧分压 (pO 2 ) (Wenger et al. Hypoxia (Auckl). 2015 Sep 18; 3:35 -43)。实际上，人体中没有任何细胞具有如此高的氧气浓度。

实验已经多次表明，在缺氧培养（缺氧）中培养的细胞生长更快，寿命更长，压力更小，在实验室实验中使用模拟体内条件的氧气环境优化细胞生长尤为重要尽可能密切。

缺氧对生物过程中很重要，但对于大多数研究人员来说，精确控制和监测缺氧条件是极其困难的，因为只有精密仪器才能精确控制培养箱中的温度、湿度和气体（CO 2和 O 2）。

目前有不同的方法为培养的细胞创造缺氧条件。

其中之一涉及在标准 CO 2培养箱中使用模块化的气密气室。通过使用放置在标准培养箱中的这种培养室，可以在体外降低氧气浓度，以使细胞能够在缺氧条件下长期生长。

另一种经常使用的方法是在所谓的“三气”培养箱中进行低氧培养，尽管这是错误的描述。只添加两种气体 - 二氧化碳（通常）和氮气 - 以降低氧气含量。

然而，在这两种培养方案中，如果将细胞用于进一步分析（例如使用显微成像），则对缺氧或细胞过程响应缺氧条件的实时可视化变得有问题，因为它们需要从培养箱中取出。当培养箱打开时，环境空气会重新供应氧气，这可能会导致误导性结果，因为氧气浓度会在很短的时间内再次上升（图 2）。将在环境空气下填充到培养容器中的培养基中的氧含量调整到培养箱的气氛所需的时间也经常被低估。

此外，一些常用的低氧检测标记物（例如哌莫硝唑或 EF5）需要固定，因此需要通过随后的免疫染色杀死细胞。即使使用可用于活细胞的荧光染料，也会出现环境氧浓度的问题。正是由于这个原因，使用测量设备来确定培养容器本身的实际氧气浓度变得越来越普遍。

PreSens 产品组合包括各种合适的化学光学传感器系统，可在不消耗氧气、非侵入性且无需从培养箱中取出培养容器的情况下确定细胞培养的当前缺氧状态。

对于多孔板中的细胞培养，PreSens 提供SensorDish® Reader以确定当前的缺氧状态。SensorDish® Reader 是一款小型 24 通道读取器，用于记录多孔板 (SensorDishes®) 中的氧气或 pH 值。它们在每个孔的底部包含一个传感器点，通过透明底部无创读取。用于氧气 (OxoDish®) 和 pH (HydroDish®) 的 SensorDishes® 有 24 孔和 6 孔两种形式。OxoDish® 底部的氧传感器测量其附近介质中的氧含量。它们可以在培养箱气氛中含氧量为 1% O 2的情况下使用。

非侵入性 PreSens VisiSens™测量原理可在多孔板和 T 型烧瓶中的静态（未摇动）细胞培养物中成像。它将用于氧气、pH 或 CO 2的荧光传感器箔与 2D 读取技术相结合，以可视化各个参数在细胞培养物中的分布。生物相容性传感器箔可以集成到各种透明培养容器中。细胞直接在传感器箔上培养，这意味着直接在细胞的细胞周围微环境中进行测量。

SensorDish® Reader 和 VisiSens™ 检测单元都可以直接安装在培养箱中，以确保恒定的培养条件（温度、氧气、CO2）。可以实时监控培养箱气氛中氧含量为 1% O2 或更多的细胞培养过程。