摘要：氧气（O₂）是生命活动的关键分子，但其浓度异常（缺氧或高氧）可导致细胞代谢紊乱甚至毒性损伤。近年来，丹麦Unisense公司开发的微电极系统凭借其高灵敏度、微米级空间分辨率和实时动态监测能力，在氧气生理学及氧毒性机制研究中发挥了重要作用。本文综述了Unisense微电极的技术原理、在细胞/组织氧微环境监测中的应用案例，并探讨其在氧化应激、线粒体功能、微生物-宿主互作等研究中的最新进展，以期为相关领域的研究者提供方法学参考。


1.引言


氧气是需氧生物能量代谢的核心底物，但细胞内O₂浓度梯度（如线粒体附近低氧vs.质膜附近高氧）的失衡可引发活性氧（ROS）爆发，导致DNA损伤、蛋白质氧化及脂质过氧化。传统氧检测方法（如Clark电极、荧光探针）受限于空间分辨率或侵入性，难以精准解析微尺度氧动态。丹麦Unisense公司开发的微氧电极系统（如OX-MR、OX-10等）通过微米级传感尖端（1–50μm）和低噪声信号放大技术，实现了对生物样本（单细胞、组织、微生物群落）O₂通量的无损监测，成为氧气生理学和氧毒性机制研究的革命性工具。


2.Unisense微电极技术原理与优势


2.1技术原理


Unisense微电极基于电化学传感原理（Clark型或极谱型），核心组件包括：


微传感尖端：铂/金阴极与银阳极构成，表面覆盖O₂选择性膜（如聚四氟乙烯），仅允许O₂扩散进入。


高阻抗放大器：检测O₂还原电流（pA级），线性响应范围0–100%O₂饱和浓度。


三维微操纵系统：精度达1μm，支持活体样本的动态扫描（如肿瘤球、植物根际）。


2.2核心优势

参数Unisense微电极传统方法


空间分辨率1–50μm>100μm（荧光成像）


响应时间<1 s数秒至分钟（Clark电极）


侵入性极低（单细胞兼容）高（需样本破坏）


动态监测支持实时O₂通量测量仅终点检测


3.在氧气生理学研究中的应用


3.1细胞微环境氧动态


肿瘤缺氧研究：


Unisense微电极揭示实体瘤内部O₂梯度（如核心区<mmHg vs.边缘区>20 mmHg），结合HIF-1α免疫荧光，证实缺氧诱导的代谢重编程（Warburg效应）【案例：Cancer Res.(2018)】。


线粒体氧消耗：


通过测量单个线粒体周围O₂浓度下降速率，量化电子传递链（ETC）活性，发现ROS爆发与复合体I功能障碍的关联【案例：Cell Metab.(2020)】。


3.2植物氧气生理


根际氧化圈绘图：


在水稻根表扫描显示，根尖O₂渗出量高达200 nmol/cm²/h，而成熟区因木质化导致O₂扩散受限，解释了侧根发生的氧依赖性【案例：New Phytol.(2019)】。


藻类光合产氧：


微电极实时监测硅藻（Thalassiosira）光合层O₂超饱和（>300%空气饱和值），为海洋碳泵模型提供数据支持。


4.在氧毒性机制研究中的突破


4.1高氧诱导的氧化应激


新生儿高氧肺损伤：


利用Unisense系统发现，高氧（>80%O₂）暴露下，肺泡II型上皮细胞周围O₂浓度骤升，触发NADPH氧化酶（NOX2）依赖性ROS产生【案例：Am.J.Respir.Crit.Care Med.(2021)】。


神经退行性疾病：


在帕金森病模型中，黑质致密部O₂波动加剧线粒体复合体I缺陷，导致多巴胺能神经元凋亡。


4.2微生物氧毒性防御


肠道菌群互作：


双歧杆菌（Bifidobacterium）通过分泌超氧化物歧化酶（SOD），降低肠黏膜表面O₂⁻水平，维持宿主-菌群稳态（Unisense数据验证）【案例：Nature Microbiol.(2022)】。


5.技术挑战与解决方案


挑战Unisense优化方案


生物膜污染自清洁涂层电极（如聚乙烯吡咯烷酮）


多参数同步监测整合pH/H₂S微电极（MultiSensor系统）


活体长时间记录无线微型化探头（如Rat O2 Telemetry）


6.未来展望


Unisense微电极的进一步发展将聚焦于：


纳米化传感：结合碳纳米管提升单分子O₂检测灵敏度。


人工智能分析：通过机器学习预测O₂梯度-生理响应的非线性关系。


临床转化：术中实时监测缺血再灌注损伤组织的氧恢复动态。


7.结论


Unisense微电极系统通过其无可比拟的微尺度氧监测能力，推动了从基础氧气生理学到氧毒性临床干预的研究。未来，该技术与其他组学（代谢组、微生物组）的整合，有望揭示更复杂的氧依赖生命过程。