用于細胞培養(yǎng)監(jiān)測的傳感器研究進展

細胞培養(yǎng)包括從天然組織中提取細胞并在受控人工條件下進行培養(yǎng)的過程。在這一過程中，必須精確控制和監(jiān)測細胞的生理/形態(tài)特性、培養(yǎng)環(huán)境、代謝物和污染物等各種因素，以保證細胞的存活并獲得想要的細胞特性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）的研究團隊在BMEMat期刊上發(fā)表了題為“Advances in sensor developments for cell culture monitoring”的綜述論文，總結(jié)了使用微流控芯片和可擴展生物反應(yīng)器等各種細胞培養(yǎng)平臺的傳感器技術(shù)和制造策略的最新進展，詳細分享了新開發(fā)的生物傳感器、化學傳感器、光學傳感器、電子芯片技術(shù)和材料集成方法?；谶@些傳感器和電子器件的反饋對參數(shù)進行精確控制可提高細胞培養(yǎng)的質(zhì)量和產(chǎn)量。

該綜述將用于監(jiān)測細胞培養(yǎng)的參數(shù)歸納為四個主要類別：細胞生理學、細胞環(huán)境、細胞代謝物和污染物監(jiān)測（如圖1）。第一類是細胞生理學，涉及評估細胞活力、行為和相關(guān)特征的各個方面。這包括細胞形態(tài)、細胞計數(shù)、細胞密度、細胞活力、粘附和遷移事件等參數(shù)。第二類涉及監(jiān)測細胞培養(yǎng)中至關(guān)重要的細胞環(huán)境參數(shù)。此類別中的關(guān)鍵因素包括溫度、pH值、二氧化碳和溶解氧（DO）水平等環(huán)境特性。監(jiān)測這些環(huán)境條件對于確保細胞的最佳生長和性能至關(guān)重要。第三類側(cè)重于評估細胞代謝物，這是評估細胞質(zhì)量和預測產(chǎn)量的重要參數(shù)。為了實現(xiàn)這一目標，定量監(jiān)測化學物質(zhì)和生物代謝物（例如營養(yǎng)素、副產(chǎn)品和細胞分泌產(chǎn)物）至關(guān)重要。此外，第四類還包括監(jiān)測污染物，例如細菌和內(nèi)毒素，這些污染物可能會對細胞的成功培養(yǎng)造成潛在威脅。每一類都包含特定的參數(shù)和方法，這些參數(shù)和方法對優(yōu)化細胞培養(yǎng)過程和確保所需的細胞行為和產(chǎn)品產(chǎn)量至關(guān)重要。

圖1 細胞培養(yǎng)監(jiān)測的四個目標參數(shù)示意圖

該綜述研究了生物傳感和分析方法，明確側(cè)重于光學和電化學分析系統(tǒng)，以監(jiān)測各種細胞培養(yǎng)監(jiān)測參數(shù)；概述了細胞培養(yǎng)過程中涉及的監(jiān)測參數(shù)，包括細胞生理學、環(huán)境、代謝物和污染物，強調(diào)了針對每個特定目標的相應(yīng)分析策略；此外，探索了細胞培養(yǎng)監(jiān)測領(lǐng)域的前沿技術(shù)，強調(diào)了與各種技術(shù)進步合作對于該領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展的重要性。

細胞生理學

這部分內(nèi)容回顧了細胞生理學監(jiān)測應(yīng)用的最新進展，包括與細胞活力、增殖和動力學行為相關(guān)的參數(shù)。收集細胞生理信息的多種方法之一是通過可視化，本質(zhì)上是成像。該部分概述了光學和電學傳感器的幾種傳感策略中用于細胞生理學監(jiān)測的代表性目標元素和動力學事件。

圖2 用于監(jiān)測形態(tài)特性、細胞活力和細胞群體等細胞生理參數(shù)的應(yīng)用

圖3 用于監(jiān)測融合和動力學特性等細胞生理參數(shù)的應(yīng)用

細胞環(huán)境

這部分內(nèi)容概述了監(jiān)測細胞培養(yǎng)過程中影響細胞活力的參數(shù)的傳感策略。它們包括DO、二氧化碳、溫度和pH值等環(huán)境檢測。目前主要使用的是高度優(yōu)化且可靠的傳感器。然而，隨著微電子和基于微加工的細胞培養(yǎng)平臺的出現(xiàn)，需要將微型化且可靠的傳感技術(shù)集成到培養(yǎng)平臺中。

圖4 用于監(jiān)測溶解氧、溫度和pH值等細胞生理參數(shù)的應(yīng)用

細胞代謝物

細胞培養(yǎng)的代謝物是理解細胞生物學的重要證據(jù)。幾十年來，基于在線采樣的細胞培養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)評估已經(jīng)發(fā)生了改變。

圖5 用于監(jiān)測營養(yǎng)物和副產(chǎn)品等細胞代謝物的應(yīng)用

污染物

細菌、病毒和真菌是導致細胞培養(yǎng)失敗的關(guān)鍵感染性微生物。目前污染物檢測方法可分為生物檢測技術(shù)和生物傳感技術(shù)。

圖6 用于監(jiān)測細菌感染和內(nèi)毒素等污染物的應(yīng)用

綜上所述，細胞培養(yǎng)監(jiān)測技術(shù)在各種生物技術(shù)研究和工業(yè)應(yīng)用中至關(guān)重要。這些技術(shù)正在轉(zhuǎn)型和發(fā)展，以滿足下一代細胞培養(yǎng)技術(shù)的需求。主要進步包括實時監(jiān)測、與各種細胞培養(yǎng)形式的兼容性以及多重目標監(jiān)測等?？傊?，復雜而精確的催化表面改性電傳感器和高靈敏度光學系統(tǒng)是準確檢測細胞生理學、環(huán)境、代謝物和污染物以及連續(xù)細胞監(jiān)測界面的特定參數(shù)的新興工具。因此，這些進步為更全面、更精確的細胞培養(yǎng)方法鋪平了道路，為生物技術(shù)和醫(yī)療保健領(lǐng)域的未來發(fā)展帶來了重大希望。

審核編輯：劉清