Online oxygen monitoring using integrated inkjet-printed sensors in a liver-on-a-chip system

在芯片上的肝臟系統(tǒng)中使用集成的噴墨打印傳感器進(jìn)行在線氧監(jiān)測

來源：Lab Chip, 2018, 18, 2023

 

論文總結(jié)

研究通過噴墨打印技術(shù)（IJP）在肝臟芯片（liver-on-a-chip）系統(tǒng)中集成溶解氧（DO）傳感器，實現(xiàn)實時監(jiān)測氧氣濃度梯度，以揭示肝細(xì)胞代謝分區(qū)（zonation）機制。以下從摘要、研究目的、研究思路、測量數(shù)據(jù)及意義、結(jié)論等方面進(jìn)行總結(jié)，并詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的意義。

一、論文摘要

研究開發(fā)了一種在肝臟芯片系統(tǒng)（ExoLiver）中集成噴墨打印DO傳感器的方法，用于實時監(jiān)測微環(huán)境中的氧氣濃度。傳感器被打印在超薄多孔膜（65μm厚，80%孔隙率）上，通過SU-8 primer層密封孔隙，形成金和銀電極。三個傳感器沿微流體通道放置（流入、中間、流出點），允許局部監(jiān)測氧氣梯度。實驗顯示，大鼠和人類肝細(xì)胞存在顯著氧氣梯度（大鼠高達(dá)17.5%，人類高達(dá)32.5%），且使用線粒體解耦劑FCCP刺激后，氧消耗率（OCR）顯著增加（大鼠從0.23增至5.95 nmol s?1/10? cells，人類從0.17增至10.62 nmol s?1/10? cells）。結(jié)果表明，IJP技術(shù)能成功集成傳感器于脆弱基板，實現(xiàn)實時監(jiān)測，克服了器官芯片（OOC）系統(tǒng)監(jiān)測的挑戰(zhàn)。

二、研究目的

 

實現(xiàn)實時監(jiān)測：解決OOC系統(tǒng)中細(xì)胞功能監(jiān)測的難題，特別是氧氣濃度變化，以更好地理解肝細(xì)胞代謝和分區(qū)。

集成傳感器：通過IJP技術(shù)在多孔膜上直接打印傳感器，避免傳統(tǒng)方法的高溫、復(fù)雜工藝和不兼容性問題。

驗證生物學(xué)應(yīng)用：使用原代大鼠和人類肝細(xì)胞，驗證傳感器在監(jiān)測氧氣梯度、OCR和藥物響應(yīng)（如FCCP）中的有效性。

 

促進(jìn)器官芯片發(fā)展：為OOC系統(tǒng)提供低成本、高靈活性的傳感集成方案，提升其預(yù)測性和臨床應(yīng)用潛力。

 

背景基于OOC系統(tǒng)在模擬器官生理中的重要性，但傳統(tǒng)監(jiān)測方法（如光學(xué)顯微鏡或外部探頭）無法實現(xiàn)實時、多點、非侵入式測量，尤其在高密度細(xì)胞培養(yǎng)中。

三、研究思路

研究采用噴墨打印技術(shù)與微流體系統(tǒng)結(jié)合的策略：

 

傳感器制造：使用IJP在多孔PTFE膜上打印SU-8 primer層（密封孔隙），然后打印金（工作電極和計數(shù)電極）和銀（偽參考電極）墨水，形成電化學(xué)DO傳感器（Fig. 1）。打印后熱燒結(jié)（130°C，40分鐘）和UV固化，確保電極導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。

 

系統(tǒng)集成：將三個傳感器集成于ExoLiver生物反應(yīng)器的多孔膜上，沿微流體通道分布（流入、中間、流出點），與細(xì)胞培養(yǎng)區(qū)域直接接觸（Fig. 3）。系統(tǒng)包括上通道（流動培養(yǎng)基）和下通道（靜態(tài)肝細(xì)胞培養(yǎng)）。

 

實驗驗證：使用原代大鼠和人類肝細(xì)胞培養(yǎng)，通過微流體灌注維持細(xì)胞活力。添加FCCP（0.5μM步驟）刺激OCR，監(jiān)測氧氣變化。使用商業(yè)Unisense Clark型電極作為參考驗證。

 

數(shù)據(jù)分析：通過安培法（-650 mV極化）測量DO，校準(zhǔn)傳感器（線性范圍0-9 mg L?1）。建立數(shù)學(xué)模型估計OCR（基于質(zhì)量平衡和Michaelis-Menten動力學(xué)），并比較細(xì)胞響應(yīng)。

 

四、測量數(shù)據(jù)、來源及研究意義

研究測量了多維度數(shù)據(jù)，其意義及來源如下（數(shù)據(jù)均標(biāo)注自原文圖/表）：

 

傳感器性能數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來自校準(zhǔn)曲線）：

 

數(shù)據(jù)：傳感器線性范圍0-9 mg L?1，靈敏度28±1 nA L mg?1，檢測限0.11±0.02 mg L?1，Sheet電阻<2 Ω□?1。

 

研究意義：證實IJP傳感器具有高靈敏度和可靠性，適用于生物環(huán)境；低檢測限允許精確監(jiān)測低氧條件，為實時監(jiān)測提供基礎(chǔ)。

 

氧氣梯度監(jiān)測（數(shù)據(jù)來自Fig. 4）：

 

數(shù)據(jù)：在肝細(xì)胞培養(yǎng)中，流入點DO最高，流出點最低。大鼠肝細(xì)胞梯度達(dá)17.5%（如從~6.5 mg L?1降至~5.4 mg L?1），人類肝細(xì)胞梯度達(dá)32.5%（如從~6.0 mg L?1降至~4.0 mg L?1）。無細(xì)胞對照無梯度（Fig. 4a）。

 

研究意義：直接驗證肝竇狀隙中氧氣梯度的存在，模擬體內(nèi)分區(qū)（zonation）現(xiàn)象；梯度大小反映物種差異，人類肝細(xì)胞對氧更敏感，支持個性化醫(yī)學(xué)模型。

 

氧消耗率（OCR）估計（數(shù)據(jù)來自Fig. 5和數(shù)學(xué)模型）：

 

數(shù)據(jù)：基礎(chǔ)OCR大鼠為0.23±0.07 nmol s?1/10? cells，人類為0.17±0.10 nmol s?1/10? cells。FCCP刺激后，OCR大幅增加（大鼠至5.95±0.67 nmol s?1/10? cells，人類至10.62±1.15 nmol s?1/10? cells）。流出點OCR比流入點高1.2倍（大鼠）和1.4倍（人類）。

 

研究意義：量化細(xì)胞代謝響應(yīng)，揭示FCCP通過解耦線粒體增加呼吸；OCR梯度證實細(xì)胞適應(yīng)低氧環(huán)境，轉(zhuǎn)向糖酵解，與腫瘤代謝類似，為藥物測試提供模型。

 

細(xì)胞存活與形態(tài)（數(shù)據(jù)來自Fig. 4d）：

 

數(shù)據(jù)：顯微鏡圖像顯示肝細(xì)胞在實驗開始和結(jié)束時保持多邊形形態(tài)和高存活率，無顯著死亡或形態(tài)變化。

 

研究意義：證實傳感器集成和低氧條件不影響細(xì)胞健康，支持方法的生物相容性；細(xì)胞在低氧下維持功能，可能通過 anaerobic glycolysis 適應(yīng)。

 

與商業(yè)傳感器比較（數(shù)據(jù)來自Fig. 4黑線）：

 

數(shù)據(jù)：Unisense Clark型傳感器（上通道流出點）測量與打印傳感器一致，但僅能提供單點數(shù)據(jù)，無法捕獲梯度。

 

研究意義：驗證打印傳感器的準(zhǔn)確性；突出集成傳感器的優(yōu)勢——多點監(jiān)測能力，克服商業(yè)傳感器的空間限制。

 

五、研究結(jié)論

 

成功集成傳感器：IJP技術(shù)能在多孔膜上可靠打印DO傳感器，無需高溫或復(fù)雜工藝，實現(xiàn)OOC系統(tǒng)內(nèi)置監(jiān)測。

氧氣梯度證實：肝細(xì)胞培養(yǎng)中存在顯著氧氣梯度（高達(dá)32.5%），模擬體內(nèi)分區(qū)，對人類肝細(xì)胞更明顯。

代謝響應(yīng)量化：FCCP刺激顯著增加OCR，揭示細(xì)胞代謝靈活性；流出點細(xì)胞OCR更高，表明適應(yīng)低氧。

技術(shù)優(yōu)勢：打印傳感器提供實時、多點、非侵入式監(jiān)測，優(yōu)于傳統(tǒng)方法；模型支持OCR估計，增強數(shù)據(jù)解讀。

 

應(yīng)用前景：方法可擴展至其他參數(shù)（如pH、葡萄糖）監(jiān)測，推動OOC系統(tǒng)在藥物篩選和疾病建模中的應(yīng)用。

 

六、詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數(shù)據(jù)有什么研究意義

丹麥Unisense電極（具體為Clark型氧微電極，型號OX-NP）在本研究中作為參考傳感器，用于驗證打印傳感器的準(zhǔn)確性和可靠性。其研究意義如下：

 

提供金標(biāo)準(zhǔn)驗證：

 

技術(shù)描述：Unisense電極基于Clark原理，具有高精度（檢測限低）和快速響應(yīng)（每秒測量），常用于生物醫(yī)學(xué)研究。在本研究中，它被放置于生物反應(yīng)器的上通道流出點，提供連續(xù)DO測量（Fig. 3c）。

研究應(yīng)用：與打印傳感器數(shù)據(jù)比較（Fig. 4），顯示高度一致性（如DO濃度趨勢匹配），確認(rèn)打印傳感器的校準(zhǔn)和性能（線性響應(yīng)和靈敏度）。

 

研究意義：作為獨立驗證工具，Unisense電極確保了打印傳感器的數(shù)據(jù)可靠性，減少了系統(tǒng)誤差，為新技術(shù) adoption 提供可信度。

 

突出集成傳感器的優(yōu)勢：

 

局限性分析：Unisense電極雖精確，但僅能提供單點測量（上通道），無法直接監(jiān)測細(xì)胞附近的梯度（下通道）。這是由于它的尺寸和位置限制——需插入系統(tǒng)，可能干擾微環(huán)境。

 

研究意義：通過對比，凸顯打印傳感器的獨特價值：能嵌入細(xì)胞培養(yǎng)膜（下通道），實現(xiàn)多點、原位監(jiān)測（流入、中間、流出點），直接捕獲氧氣梯度（如Fig. 4b-c所示梯度），而Unisense只能間接推斷。這強調(diào)了集成傳感對于OOC系統(tǒng)全面監(jiān)測的必要性。

 

支持生物學(xué)發(fā)現(xiàn)：

 

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：Unisense數(shù)據(jù)幫助確認(rèn)FCCP添加后的氧消耗變化（如Fig. 4中黑線下降），與打印傳感器響應(yīng)同步，證實藥物效應(yīng)。

 

研究意義：驗證了細(xì)胞代謝響應(yīng)的真實性，如OCR增加；Unisense的連續(xù)監(jiān)測（每秒）補充了打印傳感器的間歇測量（每15分鐘），提供更動態(tài)的視圖，但打印傳感器提供了空間分辨率。

 

技術(shù)互補性與未來方向：

 

協(xié)同作用：Unisense電極用于校準(zhǔn)和關(guān)鍵時刻驗證，而打印傳感器用于日常監(jiān)測，降低成本和復(fù)雜性。

 

研究意義：展示了多傳感器融合的策略——Unisense作為“黃金標(biāo)準(zhǔn)”用于方法開發(fā)，打印傳感器用于規(guī)模化應(yīng)用。這為OOC系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測提供了藍(lán)圖，鼓勵開發(fā)更多集成傳感器（如用于pH或代謝物）。

 

總之，Unisense電極在本研究中是質(zhì)量控制的關(guān)鍵工具，其數(shù)據(jù)不僅驗證了打印傳感器的性能，還強調(diào)了在復(fù)雜生物系統(tǒng)中多點監(jiān)測的重要性。這推動了OOC監(jiān)測從單一外部測量向內(nèi)部、實時、多維發(fā)展的演進(jìn)，有望加速器官芯片在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和藥物開發(fā)中的轉(zhuǎn)化。