近年來，研究人員試圖利用復(fù)雜的微流控細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)來模擬人體的病理/生理環(huán)境。這些所謂的器官芯片或微生理系統(tǒng)（MPS）有望比動(dòng)物模型或靜態(tài)體外細(xì)胞培養(yǎng)模型更好地模擬人體。此外，通過集成傳感器，研究人員可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些微生理系統(tǒng)的控制，并將加強(qiáng)人們對(duì)疾病或藥物作用機(jī)制的理解。葡萄糖是人體細(xì)胞的主要能量來源，因此，監(jiān)測(cè)微生理系統(tǒng)（MPS）內(nèi)的葡萄糖可以為了解所培養(yǎng)細(xì)胞的活力和代謝狀態(tài)提供有價(jià)值的信息。然而，由于缺乏合適的微型傳感器，持續(xù)監(jiān)測(cè)微生理系統(tǒng)內(nèi)的葡萄糖具有一定挑戰(zhàn)性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了解決上述挑戰(zhàn)，來自?shī)W地利格拉茨技術(shù)大學(xué)（Graz University of Technology）和維也納工業(yè)大學(xué)（Vienna University of Technology）等機(jī)構(gòu)的研究人員共同提出了一種用于微流控系統(tǒng)內(nèi)葡萄糖濃度測(cè)量的酶促光學(xué)式葡萄糖傳感器。這種直徑為1 mm的微型葡萄糖傳感器與參考氧傳感器被共同制作在具有良好生物相容性的壓敏膠帶上，使其易于集成在微流控系統(tǒng)中。此外，該研究所提出的微流控系統(tǒng)可以作為現(xiàn)有微生理系統(tǒng)的即插即用傳感系統(tǒng)。相關(guān)研究成果近期以“Optical glucose sensor for microfluidic cell culture systems”為題發(fā)表在Biosensorsand Bioelectronics期刊上。

該研究開發(fā)的光學(xué)式葡萄糖傳感器是一種酶促傳感器，其可以利用葡萄糖氧化酶（Gox）將葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸內(nèi)酯。這一反應(yīng)過程引起的氧氣消耗量可以用磷光氧指示染料來測(cè)量。這一光學(xué)式葡萄糖傳感器由含有氧敏磷光染料和葡萄糖氧化酶交聯(lián)酶聚集體（Gox-CLEAs）的顆粒組成，這些顆粒被固定在具有良好生物相容性的水凝膠中。不含葡萄糖氧化酶的氧傳感器按照微流控系統(tǒng)中流體的流動(dòng)方向集成在葡萄糖傳感器之前，以便對(duì)樣品中的氧氣含量進(jìn)行參考測(cè)量。反應(yīng)的副產(chǎn)物過氧化氫（H2O2）會(huì)使葡萄糖氧化酶失活，從而影響傳感器的壽命。因此，在傳感器組成中加入過氧化氫酶、鉑-納米顆粒（Pt-NPs）或二氧化釕（RuO2）等催化劑之一來去除過氧化氫。此外，該研究使用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜覆蓋傳感器，其在限制葡萄糖擴(kuò)散速度的同時(shí)會(huì)影響傳感器的測(cè)量范圍和靈敏度。

（A）光學(xué)式葡萄糖傳感器的傳感層由葡萄糖氧化酶交聯(lián)酶聚集體（Gox-CLEAs）、用氧敏染料染色的顆粒和用于過氧化氫分解的附加催化劑組成。以上所有組分都被嵌入水凝膠中，并被多孔膜覆蓋，以作為限制葡萄糖擴(kuò)散的屏障。此外，該研究使用粘性傳感器基底將光學(xué)式葡萄糖傳感器集成在微流控器件中，并將光纖直接固定在葡萄糖傳感器基底上，用于光學(xué)讀出。（B）將氧傳感器和光學(xué)式葡萄糖傳感器集成到微流控流體腔室中。其中，氧傳感器集成在第一腔室中，光學(xué)式葡萄糖傳感器集成在第二腔室中。兩種傳感器都具有直徑為1.5 mm的葡萄糖擴(kuò)散屏障。（C）采用含有不同催化劑類型的傳感器配方制備了直徑為600 μm ~ 800 μm的點(diǎn)狀傳感器。其中，含有鉑-納米顆粒（Pt-NPs）的傳感器比含有過氧化氫酶的傳感器明度更低，含有二氧化釕（RuO2）的傳感器顏色相對(duì)偏黑。

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葡萄糖傳感器的基本特性

為了評(píng)估所開發(fā)的光學(xué)式葡萄糖傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，研究人員在細(xì)胞培養(yǎng)條件下（37°C，pH = 7.4）對(duì)其進(jìn)行了連續(xù)5天的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，該光學(xué)式葡萄糖傳感器表現(xiàn)出輕微的漂移（3%/天）。接著，研究人員進(jìn)一步研究了氧氣濃度、pH、流速和滅菌方法等細(xì)胞培養(yǎng)參數(shù)對(duì)該光學(xué)式葡萄糖傳感器傳感性能的影響。最后，研究人員利用即插即用微流控系統(tǒng)對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)（靜態(tài)）中的葡萄糖水平進(jìn)行了在線測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果與市售葡萄糖傳感器具有良好的一致性。

細(xì)胞培養(yǎng)參數(shù)對(duì)光學(xué)式葡萄糖傳感器性能的影響

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光學(xué)式葡萄糖傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及其與市售葡萄糖傳感器的測(cè)量結(jié)果對(duì)比

綜上所述，該研究開發(fā)了一種光學(xué)式葡萄糖傳感器，其可以很容易地集成到微流控系統(tǒng)中，并且能夠在細(xì)胞培養(yǎng)條件下進(jìn)行穩(wěn)定的葡萄糖測(cè)量。在將來的研究中，研究人員計(jì)劃將這種光學(xué)式葡萄糖傳感器集成到更復(fù)雜的微生理系統(tǒng)中，以控制細(xì)胞培養(yǎng)和監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)葡萄糖的消耗。此外，還可以在該微流控光學(xué)式葡萄糖傳感器系統(tǒng)中進(jìn)一步集成光學(xué)pH傳感器和氧傳感器。這些傳感器集成在細(xì)胞附近，可以測(cè)量細(xì)胞外酸化速率和細(xì)胞的耗氧量，從而能夠利用一個(gè)集成裝置對(duì)代謝相關(guān)的多重參數(shù)進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)。

審核編輯：劉清