用于细胞培养监测的传感器研究进展

细胞培养包括从天然组织中提取细胞并在受控人工条件下进行培养的过程。在这一过程中，必须精确控制和监测细胞的生理/形态特性、培养环境、代谢物和污染物等各种因素，以保证细胞的存活并获得想要的细胞特性。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的研究团队在BMEMat期刊上发表了题为“Advances in sensor developments for cell culture monitoring”的综述论文，总结了使用微流控芯片和可扩展生物反应器等各种细胞培养平台的传感器技术和制造策略的最新进展，详细分享了新开发的生物传感器、化学传感器、光学传感器、电子芯片技术和材料集成方法。基于这些传感器和电子器件的反馈对参数进行精确控制可提高细胞培养的质量和产量。

该综述将用于监测细胞培养的参数归纳为四个主要类别：细胞生理学、细胞环境、细胞代谢物和污染物监测（如图1）。第一类是细胞生理学，涉及评估细胞活力、行为和相关特征的各个方面。这包括细胞形态、细胞计数、细胞密度、细胞活力、粘附和迁移事件等参数。第二类涉及监测细胞培养中至关重要的细胞环境参数。此类别中的关键因素包括温度、pH值、二氧化碳和溶解氧（DO）水平等环境特性。监测这些环境条件对于确保细胞的最佳生长和性能至关重要。第三类侧重于评估细胞代谢物，这是评估细胞质量和预测产量的重要参数。为了实现这一目标，定量监测化学物质和生物代谢物（例如营养素、副产品和细胞分泌产物）至关重要。此外，第四类还包括监测污染物，例如细菌和内毒素，这些污染物可能会对细胞的成功培养造成潜在威胁。每一类都包含特定的参数和方法，这些参数和方法对优化细胞培养过程和确保所需的细胞行为和产品产量至关重要。

图1 细胞培养监测的四个目标参数示意图

该综述研究了生物传感和分析方法，明确侧重于光学和电化学分析系统，以监测各种细胞培养监测参数；概述了细胞培养过程中涉及的监测参数，包括细胞生理学、环境、代谢物和污染物，强调了针对每个特定目标的相应分析策略；此外，探索了细胞培养监测领域的前沿技术，强调了与各种技术进步合作对于该领域持续发展的重要性。

细胞生理学

这部分内容回顾了细胞生理学监测应用的最新进展，包括与细胞活力、增殖和动力学行为相关的参数。收集细胞生理信息的多种方法之一是通过可视化，本质上是成像。该部分概述了光学和电学传感器的几种传感策略中用于细胞生理学监测的代表性目标元素和动力学事件。

图2 用于监测形态特性、细胞活力和细胞群体等细胞生理参数的应用

图3 用于监测融合和动力学特性等细胞生理参数的应用

细胞环境

这部分内容概述了监测细胞培养过程中影响细胞活力的参数的传感策略。它们包括DO、二氧化碳、温度和pH值等环境检测。目前主要使用的是高度优化且可靠的传感器。然而，随着微电子和基于微加工的细胞培养平台的出现，需要将微型化且可靠的传感技术集成到培养平台中。

图4 用于监测溶解氧、温度和pH值等细胞生理参数的应用

细胞代谢物

细胞培养的代谢物是理解细胞生物学的重要证据。几十年来，基于在线采样的细胞培养生态系统的营养评估已经发生了改变。

图5 用于监测营养物和副产品等细胞代谢物的应用

污染物

细菌、病毒和真菌是导致细胞培养失败的关键感染性微生物。目前污染物检测方法可分为生物检测技术和生物传感技术。

图6 用于监测细菌感染和内毒素等污染物的应用

综上所述，细胞培养监测技术在各种生物技术研究和工业应用中至关重要。这些技术正在转型和发展，以满足下一代细胞培养技术的需求。主要进步包括实时监测、与各种细胞培养形式的兼容性以及多重目标监测等。总之，复杂而精确的催化表面改性电传感器和高灵敏度光学系统是准确检测细胞生理学、环境、代谢物和污染物以及连续细胞监测界面的特定参数的新兴工具。因此，这些进步为更全面、更精确的细胞培养方法铺平了道路，为生物技术和医疗保健领域的未来发展带来了重大希望。

审核编辑：刘清