三维葡萄糖电化学传感器与胶原水凝胶集成实时监测细胞代谢

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230260

摘要/Abstract

摘要：

葡萄糖代谢的实时监测不仅能够提供细胞生长状态信息，还有助于深入理解细胞代谢机制。电化学传感器已成为葡萄糖实时动态测量的重要方法之一，然而，目前报道的葡萄糖传感器大多基于二维电极，很难与三维细胞培养体系良好兼容并进行准确检测。通过在对H₂O₂还原具有催化作用的多孔电极表面固定葡萄糖氧化酶（GOD），制备了一种灵敏度高、选择性好的三维葡萄糖电化学传感器。然后，将包裹了肿瘤细胞（MCF-7）的胶原水凝胶填充到三维传感器孔隙，构建了兼具细胞三维培养和电化学检测于一体的集成平台。通过实时监测MCF-7细胞培养环境中葡萄糖的浓度变化，实现了肿瘤细胞在抗癌药物作用下葡萄糖代谢能力的实时分析，为细胞能量代谢行为研究提供了一种新的评估方法。

关键词: 三维传感器, 电化学检测, 细胞培养, 葡萄糖代谢

Abstract:

Real-time monitoring of glucose metabolism can not only provide information on cell growth status， but also contribute to the deep understanding of the mechanism of cell metabolism. Electrochemical sensors have become an important tool in real-time detection of glucose. However， most reported glucose sensors are based on two-dimensional electrodes that are hardly compatible with three-dimensional cell culture systems for accurate detection. Herein， a 3D glucose electrochemical sensor with high sensitivity and selectivity is prepared via immobilizing glucose oxidase （GOD） on the surface of a porous electrode which could catalyze H₂O₂ reduction. Then， collagen hydrogel with tumor cells （MCF-7） therein is filled into the pores of the 3D sensor， and thus an integrated platform of 3D cell culture for electrochemical detection is constructed. This platform allows real-time monitoring of the change in glucose concentration in culture medium when MCF-7 cells are cultured under different conditions， providing a new method for evaluating the cell metabolism activities.

Key words: 3D sensor, Electrochemical detection, Cell culture, Glucose metabolism

中图分类号:

O657.1

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图/表 8

图1 三维葡萄糖电化学传感器构建及细胞代谢检测原理示意图

Fig.1 Schematic illustration of the fabrication of 3D glucose electrochemical sensor and the detection principle of glucose metabolism in 3D cell culture

图2 （A、B）三维PCP电极和（C、D）GOD/PCP电极在不同放大倍数下的扫描电子显微成像图片

Fig.2 SEM images at different magnifications for （A， B） PCP electrode and （C， D） GOD/PCP electrode

图3 PCP电极和GOD/PCP电极的FT-IR谱图

Fig.3 FT-IR spectra of PCP electrode and GOD/PCP electrode

图4 （A） PCP电极和（B） GOD/PCP电极分别在PBS和2 mmol/L葡萄糖溶液中的CV曲线，扫速均为10 mV/s

Fig.4 CVs of （A） PCP electrode and （B） GOD/PCP electrode in PBS （black） and 2 mmol/L glucose （red） solution with a scan rate of 10 mV/s

图5 （A） GOD/PCP电极对不同浓度葡萄糖标准液的安培响应曲线，施加电位为0.0 V；（B） GOD/PCP电极对葡萄糖响应的校准曲线；（C） GOD/PCP电极对1.0 mmol/L葡萄糖和10.0 mmol/L干扰物质安培响应的统计图（n=5）

Fig.5 （A） Amperometric responses of GOD/PCP electrode to a series of increasing glucose concentrations in PBS solution at a potential of 0.0 V（vs.Ag/AgCl）；（B） Corresponding calibration curve of GOD/PCP electrode to glucose；（C） Statistical results of amperometric response of GOD/PCP electrodes to 1.0 mmol/L glucose and 10.0 mmol/L potential interfering substances （n=5）

图6 （A） GOD/PCP电极（黄色，Cy3标记）与MCF-7细胞（绿色，Calcein-AM染色）三维培养体系集成的共聚焦成像图；（B） MCF-7细胞培养24 h后被Calcein-AM和PI染色的荧光成像图

Fig.6 （A） 3D reconstruction from confocal microscope images of MCF-7 cultured in the integrated platform and labeled with Calcein-AM （green） and PI （red） for cell and Cy3 （yellow） for GOD/PCP electrode；（B） Fluorescent image of MCF-7 cultured in the platform for 24 h and labeled with Calcein-AM and PI

图7 GOD/PCP电极在（A）无和（B）有MCF-7细胞存在下的I/I0随时间变化曲线；（C） GOD/PCP电极在0~400 s和401~3600 s时间内的ΔI/I0变化统计， ***P＜0.001

Fig.7 Amperometric response of GOD/PCP platform （A） without （w/o） and （B） with （w/） MCF-7 cells cultured therein；（C） Statistic analysis of the ΔI/I0 during the periods of 0~400 s and 401~3600 s. ***P＜0.001

图8 GOD/PCP电极在MCF-7细胞经（A） 10 μmol/L和（B） 100 μmol/L紫杉醇处理前后的I/I0随时间变化曲线；（C） GOD/PCP电极在0~400 s和401~3600 s时间内的ΔI/I0变化统计。 ns：无显著性差异， *** P ＜0.001

Fig.8 Amperometric response of GOD/PCP platform before and after MCF-7 were treated with （A） 10 μmol/L paclitaxel and （B） 100 μmol/L paclitaxel；（C） Statistic analysis of the ΔI/I0 during the periods of 0~400 s and 401~3600 s. ns： no significance， ***P＜0.001

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