用于細胞培養監測的傳感器研究進展

細胞培養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的過程。在這一過程中，必須精確控制和監測細胞的生理/形態特性、培養環境、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期刊上發表了題為“Advances in sensor developments for cell culture monitoring”的綜述論文，總結了使用微流控芯片和可擴展生物反應器等各種細胞培養平臺的傳感器技術和制造策略的最新進展，詳細分享了新開發的生物傳感器、化學傳感器、光學傳感器、電子芯片技術和材料集成方法?；谶@些傳感器和電子器件的反饋對參數進行精確控制可提高細胞培養的質量和產量。

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

圖1 細胞培養監測的四個目標參數示意圖

該綜述研究了生物傳感和分析方法，明確側重于光學和電化學分析系統，以監測各種細胞培養監測參數；概述了細胞培養過程中涉及的監測參數，包括細胞生理學、環境、代謝物和污染物，強調了針對每個特定目標的相應分析策略；此外，探索了細胞培養監測領域的前沿技術，強調了與各種技術進步合作對于該領域持續發展的重要性。

細胞生理學

這部分內容回顧了細胞生理學監測應用的最新進展，包括與細胞活力、增殖和動力學行為相關的參數。收集細胞生理信息的多種方法之一是通過可視化，本質上是成像。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測的代表性目標元素和動力學事件。

圖2 用于監測形態特性、細胞活力和細胞群體等細胞生理參數的應用

圖3 用于監測融合和動力學特性等細胞生理參數的應用

細胞環境

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

圖4 用于監測溶解氧、溫度和pH值等細胞生理參數的應用

細胞代謝物

細胞培養的代謝物是理解細胞生物學的重要證據。幾十年來，基于在線采樣的細胞培養生態系統的營養評估已經發生了改變。

圖5 用于監測營養物和副產品等細胞代謝物的應用

污染物

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

圖6 用于監測細菌感染和內毒素等污染物的應用

綜上所述，細胞培養監測技術在各種生物技術研究和工業應用中至關重要。這些技術正在轉型和發展，以滿足下一代細胞培養技術的需求。主要進步包括實時監測、與各種細胞培養形式的兼容性以及多重目標監測等?？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是準確檢測細胞生理學、環境、代謝物和污染物以及連續細胞監測界面的特定參數的新興工具。因此，這些進步為更全面、更精確的細胞培養方法鋪平了道路，為生物技術和醫療保健領域的未來發展帶來了重大希望。

審核編輯：劉清