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厌氧肠道微环境精准构建与Presens荧光氧传感器应用实践
2025-07-10 08:51:45 来源：赫尔纳
肠道作为人体*大的微生态系统，其厌氧环境的精确模拟是肠道生理学、微生物组学研究的关键挑战。德国Presens公司研发的荧光氧传感器技术，为体外构建生理相关性厌氧肠道环境提供了突破性解决方案。本文将基于Beonchip微流控芯片与Presens氧传感系统的联合应用，揭示如何通过流体力学调控与氧气浓度精准监测，实现肠道厌氧环境的体外重现。
## 肠道厌氧环境模拟的技术瓶颈与创新突破
正常生理状态下，人体小肠 lumen 氧气浓度维持在4.1–4.5%的严格厌氧区间，而传统细胞培养体系难以模拟这种低氧微环境。多数肠道芯片模型采用的PDMS材料因高气体渗透性，导致氧气浓度失控，且存在脂溶性化合物非特异性吸附问题。Beonchip采用的环烯烃聚合物（COP）材料，以生物相容性、低气体渗透性及接近玻璃的光学特性，从硬件层面解决了气体扩散干扰难题。
Presens FTC-SU-PSt7系列荧光氧传感器在此基础上实现了关键技术突破：通过荧光淬灭原理进行非侵入式氧气测量，避免传感器对流体通道的污染；集成化流路设计支持进/出口实时监测，配合OXY-4 ST发射系统与Measurement Studio 2软件，构建起完整的氧气动态监测体系。这种“低渗透芯片+荧光氧传感”的组合，为肠道厌氧环境研究建立了新的技术标准。
## Presens荧光氧传感技术的核心优势解析
### 非侵入式测量与无菌设计
Presens氧传感器采用外部管路连接方式，无需侵入细胞培养通道，避免对肠道上皮单层的物理干扰。其无菌一次性设计彻底消除了传统传感器清洁流程带来的交叉污染风险，特别适合长期动态培养实验。在Caco2与HT29MTX细胞共培养体系中，该设计确保了长达72小时的连续监测过程中细胞活性不受影响。
### 高精度实时监测能力
传感器对氧气浓度的响应精度可达0.1%，在实验中成功捕捉到不同流速下氧气消耗的细微差异：当剪切应力从0.02 dyn/cm降至0.01 dyn/cm（对应流速5.6 μL/min→2.9 μL/min），出口氧气浓度从12–14%进一步降至6%，与文献报道的小肠生理氧浓度高度吻合。这种高精度监测能力，为流体力学调控与氧气消耗关系的研究提供了量化依据。
### 多通道同步监测方案
针对Be-Doubleflow芯片的上下通道结构，Presens传感器支持上皮侧与基质侧氧气浓度的同步监测。实验中通过在双通道进/出口部署传感器，实现了剪切应力、流体流速与氧气消耗的多参数关联分析，为复杂肠道微环境的体外重建提供了多维数据支持。
## 厌氧肠道环境构建的实验验证与应用
### 微流控系统的厌氧控制策略
实验采用Be-Doubleflow芯片构建肠道上皮模型：通过胶原涂层预处理促进细胞贴壁，9:1比例的Caco2/HT29MTX共培养模拟小肠上皮-黏液层结构。灌注系统采用低气体渗透性的FEP/Tygon tubing，配合氮气预平衡的培养基，从源头控制氧气渗入。Presens传感器实时监测显示，在0.01 dyn/cm剪切应力下，培养72小时后出口氧气浓度稳定在5.74–6.06%，成功构建了厌氧肠道微环境。
### 流速-氧消耗关系的量化研究
实验数据表明，流体流速是调控氧气消耗的关键参数：高流速（0.02 dyn/cm）下，氧气消耗率为6–10%，而低流速（0.01 dyn/cm）时消耗率提升至14–15%，出口氧浓度更接近生理值。Presens传感器的实时监测功能，清晰呈现了氧气浓度随时间的动态变化——前12小时快速下降后稳定在5–8%，为优化培养条件提供了数据支撑。
### 上皮细胞功能验证
在Presens氧传感系统的精准控制下，培养3天后的肠道上皮单层表现出良好的结构完整性：细胞高度增加，形成穹顶状和伪绒毛等三维结构，表明细胞分化与功能成熟。这一结果证实，Presens技术不仅实现了氧气浓度的精准调控，更支持了功能性肠道上皮模型的长期构建。
## Presens氧传感技术的科研与转化价值
在肠道微生态研究领域，Presens荧光氧传感器为厌氧微生物共培养、肠道屏障功能研究提供了标准化工具。其技术优势已在以下方向展现应用潜力：
- **药物吸收研究**：模拟肠道厌氧环境下的药物跨上皮转运机制
- **微生物-宿主互作**：解析厌氧条件下益生菌与上皮细胞的信号交流
- **疾病模型构建**：复现炎症性肠病等病理状态下的氧稳态失衡
- **材料毒性评估**：在生理相关氧环境中评估纳米药物的肠道安全性
德国Presens作为荧光传感技术的领导者，其产品已通过ISO 13485认证，从科研工具延伸至体外诊断领域。目前，该氧传感系统已被欧洲多所顶尖科研机构采用，成为肠道芯片研究的标配方案。
## 结语：精准氧控开启肠道研究新维度
肠道厌氧环境的体外重建，从“是否厌氧”的定性控制，发展到“多少氧浓度”的精准调控，Presens荧光氧传感器扮演了关键角色。通过将传感器技术与微流控芯片的深度整合，科研人员得以在体外复现肠道的动态氧微环境，为揭示肠道生理与疾病机制提供了革命性工具。如需获取Be-Doubleflow芯片与Presens氧传感系统的联合解决方案，欢迎联系Presens中国技术团队——大连力迪流体控制技术有限公司，解锁厌氧环境研究的更多可能。
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