缺氧的字面意思是“缺氧"，表示身體細(xì)胞和組織中的氧氣不足。2019年，諾貝爾醫(yī)學(xué)獎授予了三位缺氧研究人員。William Kealin Jr.（美國）、Peter Ratcliffe 爵士（英國）和 Gregg Semenza（美國）揭示了細(xì)胞如何測量和調(diào)節(jié)氧氣供應(yīng)的分子機(jī)制——這是生命中最重要的過程之一。由于這項開創(chuàng)性的研究，我們對不同水平的氧合如何調(diào)節(jié)基本生理過程有了更多的了解。

細(xì)胞以某種方式測量它們的氧氣水平，然后可以相應(yīng)地調(diào)整它們的需求。為了維持正常的細(xì)胞功能，氧含量必須保持在一個相對較窄的生理范圍內(nèi)，該范圍單獨(dú)適應(yīng)每個組織，即所謂的生理范圍。在人體內(nèi)，不同組織之間的氧濃度差異很大，因此這些值總是遠(yuǎn)低于大氣中的氧含量（圖1）。遠(yuǎn)低于大氣氧含量的生理值通常被稱為缺氧（= 缺氧/缺氧），盡管它們實(shí)際上對應(yīng)于原位常氧。

對缺氧低氧濃度的自然適應(yīng)主要由基因的轉(zhuǎn)錄激活介導(dǎo)，這使得短期（例如葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)）和長期（例如血管生成）適應(yīng)機(jī)制成為可能。這在氧氣需求和氧氣供應(yīng)之間創(chuàng)造了平衡。細(xì)胞反應(yīng)的一個關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子是轉(zhuǎn)錄因子 HIP-1（缺氧誘導(dǎo)因子 1），它可以激活多種基因，例如控制能量代謝、血管生長或輸氧紅細(xì)胞的合成。

在實(shí)驗室的大多數(shù)細(xì)胞培養(yǎng)模型中，實(shí)驗氧值均基于標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞培養(yǎng)箱中提供的值（無需特別調(diào)節(jié)氧濃度）。在標(biāo)準(zhǔn)保持為 5 % CO 2的加濕細(xì)胞培養(yǎng)箱中，除了大氣氣體，蒸發(fā)的水分子還會產(chǎn)生約 50 mbar 的氣體分壓 pH 2 O（在 37 °C 和 1013 mbar ）。在這些條件下，氧含量對應(yīng)于 18.6 % O 2 (v/v)，對應(yīng)于141 mmHg的氧分壓 (pO 2 ) (Wenger et al. Hypoxia (Auckl). 2015 Sep 18; 3:35 -43)。實(shí)際上，人體中沒有任何細(xì)胞具有如此高的氧氣濃度。

實(shí)驗已經(jīng)多次表明，在缺氧培養(yǎng)（缺氧）中培養(yǎng)的細(xì)胞生長更快，壽命更長，壓力更小，在實(shí)驗室實(shí)驗中使用模擬體內(nèi)條件的氧氣環(huán)境優(yōu)化細(xì)胞生長尤為重要盡可能密切。

缺氧對生物過程中很重要，但對于大多數(shù)研究人員來說，精確控制和監(jiān)測缺氧條件是極其困難的，因為只有精密儀器才能精確控制培養(yǎng)箱中的溫度、濕度和氣體（CO 2和 O 2）。

目前有不同的方法為培養(yǎng)的細(xì)胞創(chuàng)造缺氧條件。

其中之一涉及在標(biāo)準(zhǔn) CO 2培養(yǎng)箱中使用模塊化的氣密氣室。通過使用放置在標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)箱中的這種培養(yǎng)室，可以在體外降低氧氣濃度，以使細(xì)胞能夠在缺氧條件下長期生長。

另一種經(jīng)常使用的方法是在所謂的“三氣"培養(yǎng)箱中進(jìn)行低氧培養(yǎng)，盡管這是錯誤的描述。只添加兩種氣體 - 二氧化碳（通常）和氮?dú)?- 以降低氧氣含量。

然而，在這兩種培養(yǎng)方案中，如果將細(xì)胞用于進(jìn)一步分析（例如使用顯微成像），則對缺氧或細(xì)胞過程響應(yīng)缺氧條件的實(shí)時可視化變得有問題，因為它們需要從培養(yǎng)箱中取出。當(dāng)培養(yǎng)箱打開時，環(huán)境空氣會重新供應(yīng)氧氣，這可能會導(dǎo)致誤導(dǎo)性結(jié)果，因為氧氣濃度會在很短的時間內(nèi)再次上升（圖 2）。將在環(huán)境空氣下填充到培養(yǎng)容器中的培養(yǎng)基中的氧含量調(diào)整到培養(yǎng)箱的氣氛所需的時間也經(jīng)常被低估。

此外，一些常用的低氧檢測標(biāo)記物（例如哌莫硝唑或 EF5）需要固定，因此需要通過隨后的免疫染色殺死細(xì)胞。即使使用可用于活細(xì)胞的熒光染料，也會出現(xiàn)環(huán)境氧濃度的問題。正是由于這個原因，使用測量設(shè)備來確定培養(yǎng)容器本身的實(shí)際氧氣濃度變得越來越普遍。

PreSens 產(chǎn)品組合包括各種合適的化學(xué)光學(xué)傳感器系統(tǒng)，可在不消耗氧氣、非侵入性且無需從培養(yǎng)箱中取出培養(yǎng)容器的情況下確定細(xì)胞培養(yǎng)的當(dāng)前缺氧狀態(tài)。

對于多孔板中的細(xì)胞培養(yǎng)，PreSens 提供SensorDish® Reader以確定當(dāng)前的缺氧狀態(tài)。SensorDish® Reader 是一款小型 24 通道讀取器，用于記錄多孔板 (SensorDishes®) 中的氧氣或 pH 值。它們在每個孔的底部包含一個傳感器點(diǎn)，通過透明底部無創(chuàng)讀取。用于氧氣 (OxoDish®) 和 pH (HydroDish®) 的 SensorDishes® 有 24 孔和 6 孔兩種形式。OxoDish® 底部的氧傳感器測量其附近介質(zhì)中的氧含量。它們可以在培養(yǎng)箱氣氛中含氧量為 1% O 2的情況下使用。

非侵入性 PreSens VisiSens™測量原理可在多孔板和 T 型燒瓶中的靜態(tài)（未搖動）細(xì)胞培養(yǎng)物中成像。它將用于氧氣、pH 或 CO 2的熒光傳感器箔與 2D 讀取技術(shù)相結(jié)合，以可視化各個參數(shù)在細(xì)胞培養(yǎng)物中的分布。生物相容性傳感器箔可以集成到各種透明培養(yǎng)容器中。細(xì)胞直接在傳感器箔上培養(yǎng)，這意味著直接在細(xì)胞的細(xì)胞周圍微環(huán)境中進(jìn)行測量。

SensorDish® Reader 和 VisiSens™ 檢測單元都可以直接安裝在培養(yǎng)箱中，以確保恒定的培養(yǎng)條件（溫度、氧氣、CO2）。可以實(shí)時監(jiān)控培養(yǎng)箱氣氛中氧含量為 1% O2 或更多的細(xì)胞培養(yǎng)過程。