微环境监测新工具：生物工程传感器如何改变研究现状？
胃肠道微环境对细胞生长和代谢至关重要，但实时监测受限。器官样组织模型作为体外研究工具，虽能模拟肠道生理，却需高分辨率技术分析。开发新型生物工程传感器，以实时监测这些模型的微环境，是当前研究的关键。本文主要内容包括：
1.氧气传感：揭秘肠道氧气梯度
2. pH传感：揭示肠道酸碱平衡
3.代谢传感：揭示肠道能量代谢
4.液滴PCR：揭示肠道病毒感染机制
*本文只作文献阅读笔记*
1.氧气传感：揭秘肠道氧气梯度
氧气是细胞进行有氧代谢的必需物质，其浓度变化对肠道细胞的生长、代谢和功能具有重要影响。然而，胃肠道不同区域的氧气浓度差异很大，从腔内的无氧环境到黏膜层的富氧环境，这种梯度对肠道细胞的代谢和功能具有重要影响。因此，开发高精度的氧气传感器，实时监测器官样组织内部的氧气浓度，对于深入研究肠道生理和病理过程至关重要。
1.1传统氧气传感器的局限性
传统的Clark型电化学传感器在低氧环境中容易产生测量误差，难以满足器官样组织内部氧气测量的需求。此外，商业化的光学氧气传感器通常需要将薄探针插入器官样组织内部，容易造成损伤或破坏，且难以实现长时间监测。
1.2新兴氧气传感器技术
分散式微球型氧气传感器：这种传感器由小型传感微球组成，可以远程放置和成像，避免了侵入性操作，并能够监测器官样组织内部的氧气梯度。通过测量微球内部氧气浓度变化引起的荧光强度变化，可以实现对氧气浓度的实时监测。
微流控装置：一些微流控装置可以模拟肠道生理环境，并集成氧气传感器，实现对器官样组织周围氧气浓度的监测。例如，微流控HuMiX装置可以模拟人体结肠的氧气梯度，并通过氧气敏感贴片和光纤测量氧气浓度，从而研究肠道微生物与宿主细胞的相互作用。
2. pH传感：揭示肠道酸碱平衡
pH环境对肠道细胞的生长、代谢和功能具有重要影响，例如，胃腔内的酸性环境对胃酸分泌和消化过程至关重要。然而，胃肠道不同区域的pH值差异很大，从腔内的酸性环境到黏膜层的碱性环境，这种梯度对肠道细胞的代谢和功能具有重要影响。因此，开发高精度的pH传感器，实时监测器官样组织内部的pH值，对于深入研究肠道生理和病理过程至关重要。
2.1传统pH传感器的局限性
pH电极需要定期校准，且在器官样组织内部容易受到干扰，难以实现长时间监测。而pH敏感荧光分子的检测范围有限，难以满足器官样组织内部pH测量的需求。
2.2新兴pH传感器技术
SNARF家族pH指示剂：SNARF家族pH指示剂具有双吸收和双发射特性，可以通过比率荧光测量技术实现高精度的pH测量，并已被用于测量细胞质和腔内pH。例如，SNARF-4F可以被用于测量人肠样组织的细胞质pH值，从而研究forskolin诱导的细胞质酸化过程。
更稳定的pH传感器染料：一些更稳定的pH传感器染料具有更好的光稳定性，可以用于长时间监测器官样组织内部的pH变化，从而更好地研究肠道生理和病理过程。
3.代谢传感：揭示肠道能量代谢
细胞和组织的代谢功能对其生长、分化和功能具有重要影响。胃肠道器官样组织可以进行有氧代谢和厌氧代谢，其代谢状态对肠道健康至关重要。因此，开发高精度的代谢传感器，实时监测器官样组织的代谢状态，对于深入研究肠道生理和病理过程至关重要。
3.1传统代谢分析方法的局限性
一些传统的代谢分析方法需要特殊的仪器设备，且难以实现器官样组织内部的代谢监测。此外，这些方法难以区分有氧代谢和厌氧代谢，难以全面评估器官样组织的代谢状态。
3.2新兴代谢分析技术
Seahorse XF测定法：该方法可以测量细胞培养基中的氧气消耗速率和细胞外酸化速率，从而评估细胞和组织的代谢状态。然而，Seahorse XF测定法需要特殊的仪器设备，且难以实现对器官样组织内部的代谢监测。
Alamar Blue测定法和Luxcel Biosciences产品：这些方法可以测量细胞和组织的代谢活性，并可以与光学显微镜等技术结合，实现高通量和高精度的代谢分析。例如，MitoXpress Xtra氧气消耗测定法和pH-Xtra糖酵解测定法可以分别测量细胞培养基中的氧气消耗速率和细胞外酸化速率，从而评估细胞和组织的代谢状态。
磷光寿命成像显微镜：该技术可以测量荧光分子的磷光寿命，从而实现对pH值和氧气浓度的精确测量。通过与Luxcel Biosciences产品结合，可以实现高精度的代谢分析，并提高空间分辨率。
4.液滴PCR：揭示肠道病毒感染机制
病毒感染是导致胃肠道疾病的重要原因之一。然而，传统的PCR技术容易受到人工RNA重组的干扰，从而影响检测结果的准确性。液滴PCR可以将每个RNA链封装在微小的液滴中，避免人工RNA重组的发生，从而提高检测灵敏度和准确性。
4.1液滴PCR的优势
避免人工RNA重组：液滴PCR可以将每个RNA链封装在微小的液滴中，避免人工RNA重组的发生，从而提高检测灵敏度和准确性。
高通量分析：液滴PCR可以同时进行多个样品的分析，提高了实验效率。
细胞分离：液滴PCR可以将宿主细胞和病毒共同封装在一个液滴中，从而实现细胞分离和病毒感染研究。
4.2液滴PCR的应用
液滴PCR可以用于研究病毒感染和重组，并可以与器官样组织培养技术结合，深入研究人体肠道病毒的感染机制。例如，液滴PCR可以用于研究诺如病毒在人肠样组织中的感染过程，并可以预测病毒的进化趋势，为预防和治疗诺如病毒感染提供依据。
5.展望
开发新型生物工程传感器，实现对胃肠道器官样组织微环境的实时监测，对于深入研究肠道生理和病理过程具有重要意义。未来研究方向包括：
降低传感器成本：降低传感器成本，使其更易于推广应用。
开发新型传感器：开发新型传感器，实现对更多生理指标的监测，例如，肠道菌群代谢产物、细胞因子等。
提高传感器灵敏度：提高传感器灵敏度，实现对低浓度生理指标的监测。
开发集成传感器：将多种传感器集成到一个平台上，实现对器官样组织多指标的同时监测。
参考文献
Kim GA, et al. Integration of Sensors in Gastrointestinal Organoid Culture for Biological Analysis. Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 2018 Mar 26;6(1):123-131.e1.
