新型比率荧光传感纤维：精准监测复杂培养与肿瘤微环境中的氧气变化

在肿瘤研究中，监测缺氧微环境对了解肿瘤进展意义重大。研究人员制备了基于聚 (三甲基硅基) 丙炔（PTMSP）的比率荧光传感纤维用于氧气（O2）传感。该纤维性能良好，能有效监测体外黑色素瘤共培养中的氧梯度，为相关研究提供新工具。

　　氧气（O₂）在生命活动中扮演着至关重要的角色，它参与众多生理和病理过程。在肿瘤研究领域，氧气更是一个关键因素。肿瘤的发生、发展与肿瘤微环境密切相关，其中缺氧微环境是许多实体肿瘤的显著特征，像黑色素瘤这种常见的恶性疾病，肿瘤的侵袭性以及对治疗的抵抗性都和缺氧微环境有着紧密的联系。然而，现有的氧气测量方法却存在诸多不足。例如，电化学微电极测量技术，其空间分辨率有限，只能提供氧气浓度的整体测量结果，无法满足对肿瘤微环境中氧气浓度进行精准、实时监测的需求。在这样的背景下，开发一种新型、高效的氧气监测工具迫在眉睫。

为了解决这些问题，来自国外的研究人员开展了一项关于制备比率荧光传感纤维用于氧气监测的研究。研究人员成功制备出基于聚 (三甲基硅基) 丙炔（PTMSP）聚合物的比率荧光传感纤维，该研究成果发表在《Biosensors and Bioelectronics》上。这项研究意义重大，它为体外复杂细胞系统和异质性肿瘤微环境中溶解氧水平的实时评估提供了新的可能，有望推动肿瘤研究以及组织工程等领域的发展。

研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。首先是电纺技术（electrospinning），通过该技术制备出具有特定形态和性能的 PTMSP 纤维；其次是扫描电子显微镜（SEM）技术，用于观察纤维的形态结构；还有共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）成像技术，结合微板读数仪，对纤维的氧气传感性能进行深入研究；此外，通过细胞活力测定实验来评估纤维的细胞相容性。

下面详细介绍研究结果：

• 基于 PTMSP 聚合物的比率 O₂传感纤维：PTMSP 用于制备电纺纤维具有独特优势，它无需繁琐的聚合或交联步骤，且氧气渗透率极高。研究人员选用氯仿（CHCl₃）和四氢呋喃（THF）作为溶剂，在优化的电纺参数下，成功制备出性能良好的纤维。这些参数包括 20 cm 的工作距离、2 mL/h 的流速以及 30 - 35℃的温度、30 - 40% 的相对湿度等。
• 电纺原始和比率 PTMSP 纤维的特性：SEM 图像显示，PTMSP 纤维呈无珠状、线状，表面连续光滑且多孔。随机沉积的纤维呈无序状态，而在旋转鼓上收集的纤维排列有序且大多对齐。尺寸分布研究表明，原始样品和比率样品的纤维宽度存在差异，且加载染料后纤维直径略有增加。同时，纤维表面的孔隙呈现不同形态，随机沉积纤维的微孔接近圆形，而对齐纤维的微孔呈椭圆形。此外，通过水接触角（WCA）、傅里叶变换红外（FT - IR）分析和能量色散 X 射线光谱（EDS）测量，对纤维的亲水性、表面化学和元素组成进行了表征。结果显示，PTMSP 纤维具有一定的疏水性，且传感染料的加入增加了其疏水性，同时也确认了纤维中存在相关元素。
• 电纺比率 PTMSP 纤维的 O₂传感特性：研究人员制备了含有不同浓度传感荧光团 Ru (dpp)₃²⁺和参考染料 RBITC 的纤维，并对其进行校准曲线绘制。结果发现，当染料浓度为 10%_w/w时，纤维能有效响应氧气浓度变化，且荧光强度比（I_Ru(dpp)/I_RBITC）与氧气浓度呈良好的线性关系。通过荧光量子产率（QY）测定、极端条件测试和可逆性测试，证明了该纤维具有高的光稳定性、在极端环境下的鲁棒性以及良好的可逆性。CLSM 成像和分析进一步验证了纤维对氧气浓度变化的敏感性，且在不同氧气浓度下纤维未出现光漂白现象。
• 电纺比率 PTMSP O₂传感纤维的细胞相容性筛选：研究人员通过 PrestoBlue^?试剂和 CellTiter - Glo^?发光细胞活力测定法，对三种不同肿瘤来源的细胞系（SK - MEL2、PANC - 1 和 MCF - 7）在 PTMSP 纤维上的粘附和生长能力进行评估。结果表明，该纤维对细胞活力无毒性影响，具有良好的细胞相容性，可用于监测肿瘤细胞生长和氧气变化。
• 体外黑色素瘤细胞培养中氧气变化的比率荧光传感：肿瘤的异质性是黑色素瘤的一个重要特征，而缺氧在黑色素瘤的转移进展和耐药性中起着关键作用。研究人员将肿瘤 SK - MEL2 细胞和黑色素瘤相关成纤维细胞 Malme - 3M 在氧气传感纤维上进行单培养或共培养，并在缺氧（0.82 mg/L）和正常氧（9.2 mg/L）条件下进行 CLSM 成像监测。通过时间推移实验，研究人员观察到在不同细胞密度和处理条件下，细胞外氧气浓度的变化。结果表明，比率荧光传感纤维能够有效可视化黑色素瘤共培养微环境中的氧气梯度，并检测刺激条件下的氧气差异。

研究结论和讨论部分指出，本研究成功制备的微尺度电纺比率荧光 PTMSP 基纤维是一种新型的溶解氧传感工具。该纤维通过共嵌入氧气指示探针 Ru (dpp)₃²⁺和参考染料 RBITC，实现了良好的比率荧光传感性能。其在制造工艺上具有优势，可获得无缺陷、多孔的纤维。同时，该纤维在不同氧气浓度范围内表现出良好的线性响应，且具有高的光稳定性和细胞相容性。通过在黑色素瘤共培养模型中的应用，证明了其能够定量监测正常氧和缺氧条件下的氧气波动。这一研究成果为体外肿瘤模型中细胞外氧气代谢变化的非侵入性监测提供了有力工具，有望在组织工程支架中通过功能化进一步拓展其应用，为理解肿瘤生物学机制和评估治疗效果提供有价值的信息。