Tissue oxygen partial pressure as a viability metric for ex vivo brain tissue slices  

組織氧分壓作為離體腦組織切片的活力指標(biāo)

來(lái)源：Journal of Neuroscience Methods 396 (2023) 109932

 

摘要內(nèi)容

 

本研究提出了一種基于組織氧消耗率的離體腦切片存活度評(píng)估新方法。通過(guò)測(cè)量小鼠皮層腦切片中的最低氧分壓（pO????），結(jié)合氧消耗率計(jì)算和2,3,5-三苯基氯化四氮唑（TTC）染色驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)：  

pO????與氧消耗率強(qiáng)相關(guān)（無(wú)鎂人工腦脊液（aCSF）中R2=49.7%，正常aCSF中R2=42.1%），表明pO????可作為氧消耗的簡(jiǎn)易替代指標(biāo)。  

 

pO????與TTC染色一致性高：氧消耗率越高（組織越健康），TTC染色越深（圖4a）；pO????越低，TTC染色越深（圖4b）。  

 

癲癇樣事件（SLE）頻率與氧消耗率正相關(guān)（R2=44.8%），而傳統(tǒng)指標(biāo)（如SLE振幅）與存活度無(wú)關(guān)。  

 

研究目的

 

解決離體腦切片實(shí)驗(yàn)中組織存活度評(píng)估的可靠性問(wèn)題：  

驗(yàn)證pO????能否作為簡(jiǎn)單、直接的存活度指標(biāo)。  

 

對(duì)比pO????與傳統(tǒng)電生理指標(biāo)（如SLE振幅）的優(yōu)劣。  

 

探索氧消耗與神經(jīng)活動(dòng)（如SLE）的關(guān)系。  

 

研究思路

模型設(shè)計(jì)：  

 

使用400μm厚小鼠皮層腦切片，分為無(wú)鎂aCSF（誘導(dǎo)SLE活動(dòng)）和正常aCSF（靜息狀態(tài)）兩組。  

 

通過(guò)丹麥Unisense微電極（50μm尖端）測(cè)量切片深度氧分壓。  

多維度驗(yàn)證：  

 

氧消耗率（Q）：基于Fick擴(kuò)散-消耗模型計(jì)算。  

 

pO????：直接讀取氧分壓剖面最低值。  

 

TTC染色：定性評(píng)估組織活性。  

 

SLE活動(dòng)：記錄事件振幅、頻率。  

統(tǒng)計(jì)分析：  

 

線性回歸分析pO????與Q、TTC、SLE參數(shù)的關(guān)聯(lián)。  

 

對(duì)比不同條件（如aCSF類型、流速）對(duì)pO????的影響。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)、來(lái)源圖表及研究意義

pO????與氧消耗率相關(guān)性  

 

來(lái)源：圖3a-b（無(wú)鎂/正常aCSF數(shù)據(jù)）  

pO????是氧消耗率的可靠代理指標(biāo)（無(wú)需復(fù)雜計(jì)算），簡(jiǎn)化存活度評(píng)估流程。  

氧參數(shù)與TTC染色的關(guān)聯(lián)  

 

來(lái)源：圖4a-b（TTC vs. Q / pO????）  

 

 

意義：直接證明pO????越低（或Q越高），組織越健康，驗(yàn)證其作為生物學(xué)指標(biāo)的效度。  

SLE活動(dòng)與氧消耗的關(guān)系  

 

來(lái)源：無(wú)鎂aCSF數(shù)據(jù)集

 

意義：SLE頻率（而非振幅）與氧消耗正相關(guān)，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)電生理指標(biāo)作為存活度標(biāo)準(zhǔn)的可靠性。  

流速對(duì)pO????的影響  

 

來(lái)源：流速實(shí)驗(yàn)

 

意義：低流速（≤2 mL/min）顯著降低pO????，提示實(shí)驗(yàn)需控制aCSF流速≥10 mL/min以減少干擾。  

丙泊酚干預(yù)實(shí)驗(yàn)  

 

來(lái)源：數(shù)據(jù)集7（表1）  

 

意義：pO????可預(yù)測(cè)藥物效應(yīng)（如丙泊酚抑制SLE的效果與初始pO????相關(guān)），突顯其在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的實(shí)用性。  

 

結(jié)論

pO????是理想存活度指標(biāo)：  

 

與氧消耗率、TTC染色強(qiáng)相關(guān)，且測(cè)量簡(jiǎn)便（無(wú)需全剖面掃描）。  

 

健康組織標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)鎂aCSF中pO???? ≈0–50 mmHg；正常aCSF中pO???? ≈150–200 mmHg。  

傳統(tǒng)電生理指標(biāo)不可靠：  

 

SLE振幅與存活度無(wú)關(guān)，頻率雖相關(guān)但模型依賴性高（僅適用于無(wú)鎂aCSF）。  

應(yīng)用價(jià)值：  

 

通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量pO????，可篩選健康切片或匹配實(shí)驗(yàn)組間存活度，減少結(jié)果偏差（如丙泊酚實(shí)驗(yàn)）。  

 

丹麥Unisense微電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

技術(shù)原理與操作

設(shè)備：Clark式氧電極（Unisense，50μm尖端），極化校準(zhǔn)后插入腦片不同深度（圖1e）。  

 

關(guān)鍵步驟：  

 

校準(zhǔn)：空氣中（~155 mmHg）和0.1 M抗壞血酸鈉（0 mmHg）兩點(diǎn)校準(zhǔn)。  

 

測(cè)量模式：  

 

全剖面掃描：每50μm步進(jìn)，計(jì)算氧消耗率Q（Fick模型）。  

 

pO????快速讀取：定位最低氧分壓位置（通常深度200μm）。  

 

研究意義

量化組織代謝狀態(tài)：  

 

pO????直接反映局部氧需求：健康組織耗氧高→pO????降低（圖3a）。  

 

無(wú)鎂aCSF中pO????比正常aCSF低162 mmHg（圖3b），證明神經(jīng)活動(dòng)顯著增加代謝負(fù)擔(dān)。  

解決傳統(tǒng)方法缺陷：  

 

電生理指標(biāo)（如SLE振幅）受同步性等因素干擾，與存活度無(wú)顯著關(guān)聯(lián)；pO????提供客觀、定量的生物學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。  

 

TTC染色需終止實(shí)驗(yàn)，而pO????支持實(shí)時(shí)、無(wú)損監(jiān)測(cè)（圖4a-b）。  

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

揭示aCSF流速對(duì)氧供給的影響（流速≤2 mL/min時(shí)pO????下降22.7 mmHg/mL/min），指導(dǎo)流速設(shè)置（≥10 mL/min）。  

 

提出ΔP = pO????? - pO????作為改進(jìn)指標(biāo)（R2提升至69.5%），消除表面氧分壓波動(dòng)影響（公式4）。

  

 

應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展：  

 

藥理研究：丙泊酚實(shí)驗(yàn)中，初始pO????預(yù)測(cè)藥物抑制效果（R2=52%），避免存活度混雜因素。  

 

空間異質(zhì)性評(píng)估：多點(diǎn)測(cè)量揭示切片內(nèi)存活度差異（如圖2a位置1 vs. 8），支持精準(zhǔn)區(qū)域選擇。  

 

意義：證實(shí)

技術(shù)局限與建議

電極維護(hù)：玻璃尖端易損，需謹(jǐn)慎操作；壽命約12–18個(gè)月。  

 

深度假設(shè)：默認(rèn)pO????位于切片中點(diǎn)（200μm），實(shí)際可能因組織異質(zhì)性偏移。  

 

替代方案：熒光納米顆粒技術(shù)可空間連續(xù)成像，但成本較高。  

 

核心貢獻(xiàn)：Unisense微電極首次將pO????確立為離體腦切片存活度的金標(biāo)準(zhǔn)，為神經(jīng)科學(xué)研究提供高效、可靠的質(zhì)控工具。