摘要：氧氣（O?）是生命活動(dòng)的關(guān)鍵分子，但其濃度異常（缺氧或高氧）可導(dǎo)致細(xì)胞代謝紊亂甚至毒性損傷。近年來(lái)，丹麥Unisense公司開(kāi)發(fā)的微電極系統(tǒng)憑借其高靈敏度、微米級(jí)空間分辨率和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力，在氧氣生理學(xué)及氧毒性機(jī)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(xì)胞/組織氧微環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用案例，并探討其在氧化應(yīng)激、線(xiàn)粒體功能、微生物-宿主互作等研究中的最新進(jìn)展，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供方法學(xué)參考。

1.引言

氧氣是需氧生物能量代謝的核心底物，但細(xì)胞內(nèi)O?濃度梯度（如線(xiàn)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(dǎo)致DNA損傷、蛋白質(zhì)氧化及脂質(zhì)過(guò)氧化。傳統(tǒng)氧檢測(cè)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(zhǔn)解析微尺度氧動(dòng)態(tài)。丹麥Unisense公司開(kāi)發(fā)的微氧電極系統(tǒng)（如OX-MR、OX-10等）通過(guò)微米級(jí)傳感尖端（1–50μm）和低噪聲信號(hào)放大技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物樣本（單細(xì)胞、組織、微生物群落）O?通量的無(wú)損監(jiān)測(cè)，成為氧氣生理學(xué)和氧毒性機(jī)制研究的革命性工具。

2.Unisense微電極技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)

2.1技術(shù)原理

Unisense微電極基于電化學(xué)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(yáng)極構(gòu)成，表面覆蓋O?選擇性膜（如聚四氟乙烯），僅允許O?擴(kuò)散進(jìn)入。

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

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

2.2核心優(yōu)勢(shì)

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(yīng)時(shí)間<1 s數(shù)秒至分鐘（Clark電極）

侵入性極低（單細(xì)胞兼容）高（需樣本破壞）

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)支持實(shí)時(shí)O?通量測(cè)量?jī)H終點(diǎn)檢測(cè)

3.在氧氣生理學(xué)研究中的應(yīng)用

3.1細(xì)胞微環(huán)境氧動(dòng)態(tài)

腫瘤缺氧研究：

Unisense微電極揭示實(shí)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(shí)缺氧誘導(dǎo)的代謝重編程（Warburg效應(yīng)）【案例：Cancer Res.(2018)】。

線(xiàn)粒體氧消耗：

通過(guò)測(cè)量單個(gè)線(xiàn)粒體周?chē)鶲?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(fù)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(dá)200 nmol/cm2/h，而成熟區(qū)因木質(zhì)化導(dǎo)致O?擴(kuò)散受限，解釋了側(cè)根發(fā)生的氧依賴(lài)性【案例：New Phytol.(2019)】。

藻類(lèi)光合產(chǎn)氧：

微電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jī)制研究中的突破

4.1高氧誘導(dǎo)的氧化應(yīng)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(xì)胞周?chē)鶲?濃度驟升，觸發(fā)NADPH氧化酶（NOX2）依賴(lài)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(dòng)加劇線(xiàn)粒體復(fù)合體I缺陷，導(dǎo)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(guò)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(yàn)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(cè)整合pH/H?S微電極（MultiSensor系統(tǒng)）

活體長(zhǎng)時(shí)間記錄無(wú)線(xiàn)微型化探頭（如Rat O2 Telemetry）

6.未來(lái)展望

Unisense微電極的進(jìn)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(cè)靈敏度。

人工智能分析：通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)O?梯度-生理響應(yīng)的非線(xiàn)性關(guān)系。

臨床轉(zhuǎn)化：術(shù)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)缺血再灌注損傷組織的氧恢復(fù)動(dòng)態(tài)。

7.結(jié)論

Unisense微電極系統(tǒng)通過(guò)其無(wú)可比擬的微尺度氧監(jiān)測(cè)能力，推動(dòng)了從基礎(chǔ)氧氣生理學(xué)到氧毒性臨床干預(yù)的研究。未來(lái)，該技術(shù)與其他組學(xué)（代謝組、微生物組）的整合，有望揭示更復(fù)雜的氧依賴(lài)生命過(guò)程。