摘要：氧氣（O?）是生命活動的關(guān)鍵分子，但其濃度異常（缺氧或高氧）可導致細胞代謝紊亂甚至毒性損傷。近年來，丹麥Unisense公司開發(fā)的微電極系統(tǒng)憑借其高靈敏度、微米級空間分辨率和實時動態(tài)監(jiān)測能力，在氧氣生理學及氧毒性機制研究中發(fā)揮了重要作用。本文綜述了Unisense微電極的技術(shù)原理、在細胞/組織氧微環(huán)境監(jiān)測中的應用案例，并探討其在氧化應激、線粒體功能、微生物-宿主互作等研究中的最新進展，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供方法學參考。

1.引言

氧氣是需氧生物能量代謝的核心底物，但細胞內(nèi)O?濃度梯度（如線粒體附近低氧vs.質(zhì)膜附近高氧）的失衡可引發(fā)活性氧（ROS）爆發(fā)，導致DNA損傷、蛋白質(zhì)氧化及脂質(zhì)過氧化。傳統(tǒng)氧檢測方法（如Clark電極、熒光探針）受限于空間分辨率或侵入性，難以精準解析微尺度氧動態(tài)。丹麥Unisense公司開發(fā)的微氧電極系統(tǒng)（如OX-MR、OX-10等）通過微米級傳感尖端（1–50μm）和低噪聲信號放大技術(shù)，實現(xiàn)了對生物樣本（單細胞、組織、微生物群落）O?通量的無損監(jiān)測，成為氧氣生理學和氧毒性機制研究的革命性工具。

2.Unisense微電極技術(shù)原理與優(yōu)勢

2.1技術(shù)原理

Unisense微電極基于電化學傳感原理（Clark型或極譜型），核心組件包括：

微傳感尖端：鉑/金陰極與銀陽極構(gòu)成，表面覆蓋O?選擇性膜（如聚四氟乙烯），僅允許O?擴散進入。

高阻抗放大器：檢測O?還原電流（pA級），線性響應范圍0–100%O?飽和濃度。

三維微操縱系統(tǒng)：精度達1μm，支持活體樣本的動態(tài)掃描（如腫瘤球、植物根際）。

2.2核心優(yōu)勢

參數(shù)Unisense微電極傳統(tǒng)方法

空間分辨率1–50μm>100μm（熒光成像）

響應時間<1 s數(shù)秒至分鐘（Clark電極）

侵入性極低（單細胞兼容）高（需樣本破壞）

動態(tài)監(jiān)測支持實時O?通量測量僅終點檢測

3.在氧氣生理學研究中的應用

3.1細胞微環(huán)境氧動態(tài)

腫瘤缺氧研究：

Unisense微電極揭示實體瘤內(nèi)部O?梯度（如核心區(qū)<mmHg vs.邊緣區(qū)>20 mmHg），結(jié)合HIF-1α免疫熒光，證實缺氧誘導的代謝重編程（Warburg效應）【案例：Cancer Res.(2018)】。

線粒體氧消耗：

通過測量單個線粒體周圍O?濃度下降速率，量化電子傳遞鏈（ETC）活性，發(fā)現(xiàn)ROS爆發(fā)與復合體I功能障礙的關(guān)聯(lián)【案例：Cell Metab.(2020)】。

3.2植物氧氣生理

根際氧化圈繪圖：

在水稻根表掃描顯示，根尖O?滲出量高達200 nmol/cm2/h，而成熟區(qū)因木質(zhì)化導致O?擴散受限，解釋了側(cè)根發(fā)生的氧依賴性【案例：New Phytol.(2019)】。

藻類光合產(chǎn)氧：

微電極實時監(jiān)測硅藻（Thalassiosira）光合層O?超飽和（>300%空氣飽和值），為海洋碳泵模型提供數(shù)據(jù)支持。

4.在氧毒性機制研究中的突破

4.1高氧誘導的氧化應激

新生兒高氧肺損傷：

利用Unisense系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，高氧（>80%O?）暴露下，肺泡II型上皮細胞周圍O?濃度驟升，觸發(fā)NADPH氧化酶（NOX2）依賴性ROS產(chǎn)生【案例：Am.J.Respir.Crit.Care Med.(2021)】。

神經(jīng)退行性疾?。?

在帕金森病模型中，黑質(zhì)致密部O?波動加劇線粒體復合體I缺陷，導致多巴胺能神經(jīng)元凋亡。

4.2微生物氧毒性防御

腸道菌群互作：

雙歧桿菌（Bifidobacterium）通過分泌超氧化物歧化酶（SOD），降低腸黏膜表面O??水平，維持宿主-菌群穩(wěn)態(tài)（Unisense數(shù)據(jù)驗證）【案例：Nature Microbiol.(2022)】。

5.技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

挑戰(zhàn)Unisense優(yōu)化方案

生物膜污染自清潔涂層電極（如聚乙烯吡咯烷酮）

多參數(shù)同步監(jiān)測整合pH/H?S微電極（MultiSensor系統(tǒng)）

活體長時間記錄無線微型化探頭（如Rat O2 Telemetry）

6.未來展望

Unisense微電極的進一步發(fā)展將聚焦于：

納米化傳感：結(jié)合碳納米管提升單分子O?檢測靈敏度。

人工智能分析：通過機器學習預測O?梯度-生理響應的非線性關(guān)系。

臨床轉(zhuǎn)化：術(shù)中實時監(jiān)測缺血再灌注損傷組織的氧恢復動態(tài)。

7.結(jié)論

Unisense微電極系統(tǒng)通過其無可比擬的微尺度氧監(jiān)測能力，推動了從基礎(chǔ)氧氣生理學到氧毒性臨床干預的研究。未來，該技術(shù)與其他組學（代謝組、微生物組）的整合，有望揭示更復雜的氧依賴生命過程。