摘要：氧氣（O?）是生命活動的關鍵分子，但其濃度異常（缺氧或高氧）可導致細胞代謝紊亂甚至毒性損傷。近年來，丹麥Unisense公司開發的微電極系統憑借其高靈敏度、微米級空間分辨率和實時動態監測能力，在氧氣生理學及氧毒性機制研究中發揮了重要作用。本文綜述了Unisense微電極的技術原理、在細胞/組織氧微環境監測中的應用案例，并探討其在氧化應激、線粒體功能、微生物-宿主互作等研究中的最新進展，以期為相關領域的研究者提供方法學參考。

1.引言

氧氣是需氧生物能量代謝的核心底物，但細胞內O?濃度梯度（如線粒體附近低氧vs.質膜附近高氧）的失衡可引發活性氧（ROS）爆發，導致DNA損傷、蛋白質氧化及脂質過氧化。傳統氧檢測方法（如Clark電極、熒光探針）受限于空間分辨率或侵入性，難以精準解析微尺度氧動態。丹麥Unisense公司開發的微氧電極系統（如OX-MR、OX-10等）通過微米級傳感尖端（1–50μm）和低噪聲信號放大技術，實現了對生物樣本（單細胞、組織、微生物群落）O?通量的無損監測，成為氧氣生理學和氧毒性機制研究的革命性工具。

2.Unisense微電極技術原理與優勢

2.1技術原理

Unisense微電極基于電化學傳感原理（Clark型或極譜型），核心組件包括：

微傳感尖端：鉑/金陰極與銀陽極構成，表面覆蓋O?選擇性膜（如聚四氟乙烯），僅允許O?擴散進入。

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

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

2.2核心優勢

參數Unisense微電極傳統方法

空間分辨率1–50μm>100μm（熒光成像）

響應時間<1 s數秒至分鐘（Clark電極）

侵入性極低（單細胞兼容）高（需樣本破壞）

動態監測支持實時O?通量測量僅終點檢測

3.在氧氣生理學研究中的應用

3.1細胞微環境氧動態

腫瘤缺氧研究：

Unisense微電極揭示實體瘤內部O?梯度（如核心區<mmHg vs.邊緣區>20 mmHg），結合HIF-1α免疫熒光，證實缺氧誘導的代謝重編程（Warburg效應）【案例：Cancer Res.(2018)】。

線粒體氧消耗：

通過測量單個線粒體周圍O?濃度下降速率，量化電子傳遞鏈（ETC）活性，發現ROS爆發與復合體I功能障礙的關聯【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200 nmol/cm2/h，而成熟區因木質化導致O?擴散受限，解釋了側根發生的氧依賴性【案例：New Phytol.(2019)】。

藻類光合產氧：

微電極實時監測硅藻（Thalassiosira）光合層O?超飽和（>300%空氣飽和值），為海洋碳泵模型提供數據支持。

4.在氧毒性機制研究中的突破

4.1高氧誘導的氧化應激

新生兒高氧肺損傷：

利用Unisense系統發現，高氧（>80%O?）暴露下，肺泡II型上皮細胞周圍O?濃度驟升，觸發NADPH氧化酶（NOX2）依賴性ROS產生【案例：Am.J.Respir.Crit.Care Med.(2021)】。

神經退行性疾病：

在帕金森病模型中，黑質致密部O?波動加劇線粒體復合體I缺陷，導致多巴胺能神經元凋亡。

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-菌群穩態（Unisense數據驗證）【案例：Nature Microbiol.(2022)】。

5.技術挑戰與解決方案

挑戰Unisense優化方案

生物膜污染自清潔涂層電極（如聚乙烯吡咯烷酮）

多參數同步監測整合pH/H?S微電極（MultiSensor系統）

活體長時間記錄無線微型化探頭（如Rat O2 Telemetry）

6.未來展望

Unisense微電極的進一步發展將聚焦于：

納米化傳感：結合碳納米管提升單分子O?檢測靈敏度。

人工智能分析：通過機器學習預測O?梯度-生理響應的非線性關系。

臨床轉化：術中實時監測缺血再灌注損傷組織的氧恢復動態。

7.結論

Unisense微電極系統通過其無可比擬的微尺度氧監測能力，推動了從基礎氧氣生理學到氧毒性臨床干預的研究。未來，該技術與其他組學（代謝組、微生物組）的整合，有望揭示更復雜的氧依賴生命過程。