細(xì)胞培養(yǎng)包括從天然組織中提取細(xì)胞并在受控人工條件下進(jìn)行培養(yǎng)的過程。在這一過程中，必須精確控制和監(jiān)測細(xì)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(xì)胞的存活并獲得想要的細(xì)胞特性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的研究團(tuán)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(kuò)展生物反應(yīng)器等各種細(xì)胞培養(yǎng)平臺的傳感器技術(shù)和制造策略的最新進(jìn)展，詳細(xì)分享了新開發(fā)的生物傳感器、化學(xué)傳感器、光學(xué)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(jìn)行精確控制可提高細(xì)胞培養(yǎng)的質(zhì)量和產(chǎn)量。

該綜述將用于監(jiān)測細(xì)胞培養(yǎng)的參數(shù)歸納為四個主要類別：細(xì)胞生理學(xué)、細(xì)胞環(huán)境、細(xì)胞代謝物和污染物監(jiān)測（如圖1）。第一類是細(xì)胞生理學(xué)，涉及評估細(xì)胞活力、行為和相關(guān)特征的各個方面。這包括細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞計數(shù)、細(xì)胞密度、細(xì)胞活力、粘附和遷移事件等參數(shù)。第二類涉及監(jiān)測細(xì)胞培養(yǎng)中至關(guān)重要的細(xì)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(xì)胞的最佳生長和性能至關(guān)重要。第三類側(cè)重于評估細(xì)胞代謝物，這是評估細(xì)胞質(zhì)量和預(yù)測產(chǎn)量的重要參數(shù)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，定量監(jiān)測化學(xué)物質(zhì)和生物代謝物（例如營養(yǎng)素、副產(chǎn)品和細(xì)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(xì)菌和內(nèi)毒素，這些污染物可能會對細(xì)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(xì)胞培養(yǎng)過程和確保所需的細(xì)胞行為和產(chǎn)品產(chǎn)量至關(guān)重要。

圖1 細(xì)胞培養(yǎng)監(jiān)測的四個目標(biāo)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(xué)和電化學(xué)分析系統(tǒng)，以監(jiān)測各種細(xì)胞培養(yǎng)監(jiān)測參數(shù)；概述了細(xì)胞培養(yǎng)過程中涉及的監(jiān)測參數(shù)，包括細(xì)胞生理學(xué)、環(huán)境、代謝物和污染物，強(qiáng)調(diào)了針對每個特定目標(biāo)的相應(yīng)分析策略；此外，探索了細(xì)胞培養(yǎng)監(jiān)測領(lǐng)域的前沿技術(shù)，強(qiáng)調(diào)了與各種技術(shù)進(jìn)步合作對于該領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展的重要性。

細(xì)胞生理學(xué)

這部分內(nèi)容回顧了細(xì)胞生理學(xué)監(jiān)測應(yīng)用的最新進(jìn)展，包括與細(xì)胞活力、增殖和動力學(xué)行為相關(guān)的參數(shù)。收集細(xì)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(xué)和電學(xué)傳感器的幾種傳感策略中用于細(xì)胞生理學(xué)監(jiān)測的代表性目標(biāo)元素和動力學(xué)事件。

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

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

細(xì)胞環(huán)境

這部分內(nèi)容概述了監(jiān)測細(xì)胞培養(yǎng)過程中影響細(xì)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(xì)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(xì)胞生理參數(shù)的應(yīng)用

細(xì)胞代謝物

細(xì)胞培養(yǎng)的代謝物是理解細(xì)胞生物學(xué)的重要證據(jù)。幾十年來，基于在線采樣的細(xì)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(xì)胞代謝物的應(yīng)用

污染物

細(xì)菌、病毒和真菌是導(dǎo)致細(xì)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(xì)菌感染和內(nèi)毒素等污染物的應(yīng)用

綜上所述，細(xì)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(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的需求。主要進(jìn)步包括實時監(jiān)測、與各種細(xì)胞培養(yǎng)形式的兼容性以及多重目標(biāo)監(jiān)測等?？傊?，復(fù)雜而精確的催化表面改性電傳感器和高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)是準(zhǔn)確檢測細(xì)胞生理學(xué)、環(huán)境、代謝物和污染物以及連續(xù)細(xì)胞監(jiān)測界面的特定參數(shù)的新興工具。因此，這些進(jìn)步為更全面、更精確的細(xì)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