基于NDIR二氧化碳傳感器對腫瘤細胞糖代謝速率的研究

徐 磊，黃 鋼，熊征斯，臧啟元

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基于NDIR二氧化碳傳感器對腫瘤細胞糖代謝速率的研究

徐 磊1，黃 鋼2*，熊征斯1，臧啟元1

（1. 上海理工大學，醫療器械與食品學院，上海 200000；2. 上海健康醫學院，上海 200000）

介紹了一種非分光紅外（NDIR）CO2傳感器，進行紅外檢測理論分析、CO2傳感器系統設計及外圍電路設計；應用NDIR傳感器對HepG2貼壁細胞代謝產生的CO2濃度進行實時檢測，通過相鄰時刻的CO2濃度求差并除以時間差，得到CO2濃度變化速率。利用MATLAB軟件對CO2速率散點圖擬合，并求擬合曲線導數值為零的點，取該點縱坐標作為該細胞代謝參考速率，最終得到腫瘤細胞糖代謝速率模型。結論：檢測四皿細胞濃度比值為1 : 2 : 3 : 4的HepG2細胞，得出其代謝參考速率比值趨同于細胞濃度比值。

NDIR紅外傳感器；二氧化碳檢測；糖代謝

0 引言

腫瘤疾病作為重癥之一正日益吞噬人們的健康，關于其研究日趨白熱，研究腫瘤細胞代謝及抑制代謝手段對疾病治愈有著積極作用[1]。腫瘤細胞代謝特點是：在有氧或無氧條件下均以葡萄糖酵解為能量主要獲取方式，以葡萄糖氧化分解或以其他營養物質分解代謝的方式來輔助獲得能量[2]。當腫瘤細胞糖酵解代謝被抑制時，其會依賴其他代謝方式生存同時產生CO2等產物，但細胞會對誘導凋亡的因子更敏感，易凋亡[3]，因此實時檢測腫瘤細胞代謝產生的CO2可辨別該細胞基礎代謝狀態和糖酵解抑制狀態，對靶向藥物研制有重大意義。

葡萄糖有氧反應式：

在體外細胞學實驗中尚缺少有效的實時檢測手段，現有檢測手段為放射性核素法（用放射性元素標記反應物，利用γ射線檢測產物中放射線劑量以確定反應速率）。該法只能檢測一定時間內的積累劑量，無法實時反映葡萄糖攝取速率；由于標記限制，無法同時檢測多個標記物，且放射性廢棄物質不易處理[4]。基于NDIR二氧化碳傳感器檢測細胞代謝速率可解決上述問題。

1 NDIR二氧化碳傳感器研究

1.1 檢測理論

紅外光照射待檢氣體后，不同波段的紅外光會被特定氣體吸收，出射光能量會在相應的波段上衰減。根據紅外檢測的基本原理和據朗伯—比爾定律可推導出吸光度的計算公式

其中為待測氣體濃度、為氣體對于紅外光的吸收系數；為紅外光在待測氣體內通過的總光程；為待測氣體吸收紅外光能量之后的光強，0為紅外光進入氣室前的光強[5]。

1.2 傳感器結構及外圍電路

傳感器系統結構如圖1，紅外光源采用IRL715光源，其釋放波長從可見自然光到5m，波段覆蓋了CO2分子吸收的4.25m光波，光源波長范圍較寬；探測器屬于熱電堆探測器（TPS2534傳感器），其包涵兩個探測窗口，一個用于收集被CO2分子吸收后的紅外光波并檢測光波能量，第二探測窗口做參考對照，用于檢測紅外光波在同等條件下未被CO2分子吸收時的光強能量。濾光片分別設置在兩探測窗口表面，其作用是過濾非CO2分子吸收的光波波段，減小干擾誤差[6-8]。

圖1 傳感器結構圖

傳感器外圍電路如圖2所示，由光源驅動電路、電源電路、弱信號放大電路、數字模擬轉換電路、單片機控制電路、通信電路組成[9-10]。單片機采用STM32F103芯片，輸出0.25 Hz脈沖信號，通過光源驅動電路控制紅外光源的亮滅。紅外光源由驅動電路以頻率0.25 Hz信號控制開啟與關閉，紅外光波發出后同時通過檢測通道和參考通道；探測器負責接收兩通道光波并檢測光波能量變化，其信號由弱信號方法電路放大并由轉換電路進行模擬數字信號轉換；單片機處理該信號并上傳，同時控制電源電路及調制信號[11]。

圖2 外圍電路框圖

2 細胞糖代謝速率模型

利用NDIR二氧化碳傳感器得到細胞各時刻CO2濃度散點圖，取相鄰時刻的CO2濃度求差并除以時間差，得到CO2濃度變化速率，利用MATLAB軟件對CO2速率散點圖擬合，并求擬合曲線導數值為零的點，取該點縱坐標作為該細胞代謝參考速率。具體如下：

3 HepG2細胞檢測實驗

為驗證模型有效性，設計了檢測HepG2細胞的CO2濃度實驗：將HepG2按細胞數濃度比例1 : 2 : 3 : 4接種于四個培養皿中，待其貼壁后實時檢測第一、三天各皿內CO2濃度，應用代謝速率模型比較同天各皿內的參考速率是否成上述比例。

實驗步驟如下：

（1）復蘇：將HepG2細胞復蘇后接種于直徑100 mm培養皿內（7 ml DMEM培養基，內含10%FBS、1%PS），置于37℃、5%CO2的細胞培養箱內，待其貼壁、鋪滿皿底。

（2）傳代：將皿內液體吸出，加入1 ml PBS，清洗皿底后吸出，再加入1.5 ml Trypsin使貼壁細胞于皿底分離，將皿置入培養箱內，三分鐘后吸出皿內液體至移液管并向管內注入1 ml DMEM培養基終止胰酶消化過程。在1500 r/min條件下，將管離心3 min，吸出管內液體并加入2 ml DMEM培養基，移液器吹打后，按比例1 : 2 : 3 : 4（細胞數為1′105、2′105、3′105、4′105）分別加入直徑60 mm的四個培養皿中。將其置于細胞培養箱中，待細胞貼壁。

（3）CO2檢測：將各培養皿靜置于室溫下的超凈工作臺，同時添加一個只含同體積培養基的對照組。按細胞濃度由大到小的順序進行檢測，將CO2檢測模塊封蓋于皿頂部，連接電腦后，以0.25 Hz的頻率收集10 min內CO2濃度值（取80個數據點）。

（4）數據處理：將上述CO2時間—濃度離散點，導入MATLAB，并繪制各皿的CO2時間—濃度圖（如圖3中a、b）。對離散點組成的散點圖進行求導，得到各皿同天內被測時的CO2濃度變化速率散點，對該散點進行函數擬合，并繪制曲線圖（如圖4中a、b）。擬合曲線斜率為零的點代表此刻CO2速率變化最慢，較穩定，以此點做為該皿的CO2速率參考點，對比同天各皿參考點的速率值，看其是否趨近細胞數量比例。

圖3 CO2時間—濃度圖

圖4 CO2散點圖及擬合圖

4 結果分析

圖3中（a）（b）為測試第一、三天的CO2時間—濃度圖，其中曲線四種顏色代表四個不同細胞數的培養皿，曲線每點表示培養皿在某時刻的CO2濃度，可明顯發現皿內細胞濃度與CO2濃度成正比。圖4中（a）（b）為測試第一、三天的CO2時間—濃度速率圖，散點、曲線顏色區分培養皿。圖中各散點表示培養皿在某時刻內CO2濃度變化速率；曲線為各散點的擬合曲線，表示散點的變化規律，可直觀得到皿內細胞濃度與CO2濃度變化速率成正比。由于擬合曲線的極值點導數為0，表示CO2濃度變化速率穩定，取該點作為培養皿的CO2參考速率點。同天內各皿的參考速率如表1所示。由表2可知皿內細胞濃度與CO2濃度變化速率成正比。

表1 CO2參考速率表

Tab.1 CO2 reference rate table

表2 各培養皿參考速率比值

Tab.2 Reference ratios of culture dishes

5 結語

本文研究NDIR二氧化碳傳感器，并將其應用于檢測細胞代謝速率，建立細胞代謝速率模型，實驗結果顯示按該模型得出細胞代謝速率比值趨近與細胞數濃度比值。這一動態檢測細胞代謝速率的方法可應用于腫瘤細胞代謝。

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Research of Glucose Metabolism Rate of Tumor Cells Based on NDIR CO2Sensor

XU Lei1, HUANG Gang2*, XIONG Zheng-si1, ZANG Qi-yuan1

(1. School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200000, China;2. Shanghai University of Medicine and Health Sciences, Shanghai 200000, China)

A non-dispersive infrared (NDIR) CO2sensor was introduced, which performed infrared detection theory analysis, sensor system design and peripheral circuit design. The NDIR sensor was used to detect the CO2concentration of HepG2 adherent cells in real time，using CO2concentration difference at adjacent time and divided by the time difference to obtain rate of CO2concentration change. At the same time, applying MATLAB to fit the scatter plot of rate of CO2, found the point where the curve derivative value was zero, and took its ordinate as metabolic reference rate of cells. Finally, the model of tumor cells of rate of glucose metabolism was set up. Conclusion: when the HepG2 cell with the ratio of 1 : 2 : 3 : 4 was detected, ratio of metabolic reference rate was similar to the cell concentration ratio.

NDIR infrared sensor; Carbon dioxide detection; Glucose metabolism

TP732.2

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.08.004

國家自然科學基金：NO.81601520

徐磊（1995-），男，研究生，主要研究方向：生物醫學工程；熊征斯(1995-)，男，研究生，主要研究方向：生物醫學工程；臧啟元(1995-)，男，研究生，主要研究方向：生物醫學工程。

黃鋼(1961-)，男，教授，主要研究方向：核醫學分子影像

本文著錄格式：徐磊，黃鋼，熊征斯，等. 基于NDIR二氧化碳傳感器對腫瘤細胞糖代謝速率的研究[J]. 軟件，2018，39（8）：14-17