【《乏氧检测的手段研究国内外文献综述》4600字】

乏氧检测的手段研究国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u23674乏氧检测的手段研究国内外文献综述 182571碘量法和氧电极法 1157192HIF-1α免疫组化染色 2220033正电子断层扫描成像 374光声层析成像 570585磁共振成像 6237576光学成像 831223参考文献 9迄今为止的氧检测方法各有利弊，本章将对常见的几种乏氧检测方法进行详细介绍。1碘量法和氧电极法碘量滴定法是传统的检测溶液中溶解氧含量的方法。测量原理是向样品中加入大量的二价锰盐、碱性碘化钾盐，促进形成白色Mn(OH)2沉淀物。当样品溶液内有溶解氧气存在时，Mn(OH)2白色沉淀会被氧化成棕色的MnO(OH)2沉淀。之后加入浓酸，在强酸条件下棕色的MnO(OH)2沉淀，将碘化钾氧化为碘单质而析出[12]。用硫代硫酸盐滴定法，以淀粉做显色指示剂可以测出碘单质的含量，再通过反应摩尔比，换算出溶液中的溶解氧含量。但是此法操作复杂，耗时长，不利于实时快速检测氧含量。Clark型氧电极（如图1.1）是采用电磁搅拌或溶液流动的方式实现扩散平衡，Clark型氧电极表面有一层膜，可以防止被测量液体对氧电极的干扰，也进一步提高了电极的稳定性和使用寿命。Clark电极法可以在长时间、小范围内测量较复杂液体环境体系中的氧浓度，该电极氧气浓度测量原理是液体中的溶解氧在电极的正负极上分别发生还原反应和氧化反应[13]，产生的电流与液体溶解的氧气浓度成正比，因此可以通过测量电流大小换算出氧浓度。Clark电极凭借操作简单，测量范围广，工作温度上限达到190℃等优势，经过不断地升级改造，使用领域变得逐渐广泛，氧电极法也成为第一种能够精确测量生物组织内氧浓度的技术。20世纪90年代，P.Vaupel使用爱普多夫（Eppendorf）微电极实现对乳腺癌肿瘤内氧浓度的直接测量，该电极依靠计算机驱动，能够精确定位到肿瘤组织，然而这是一种侵入式的测量方法[14]，测量的过程中会对生物组织产生一定的损伤，也只能测量可接触的肿瘤组织表面，测量的结果是单独位点的氧分压数值，同时因为肿瘤体积较大，内部氧气分布的不均一性，需要多次多位点的测量才能得出合理数据，另外电极本身比较大，难以实现微型化，因此限制了氧电极法的进一步应用。图1.1氧敏感电极探头结构示意图Figure1.1Schematicdiagramofoxygensensitiveelectrodeprobestructure[13]2HIF-1α免疫组化染色乏氧诱导因子-1（Hypoxiaindueiblefactor-1,HIF-1）,是一种在乏氧环境下哺乳动物和人体广泛产生的转录因子[15]，可以在乏氧组织内调控氧气供应与消耗，目的是让机体组织适应乏氧环境。1992年Semenza在肝癌细胞中提纯出了HIF-1蛋白，证明了HIF-1是一种复合的二聚体，包括α亚基（120kDa）和β亚基（90kDa）两个部分。乏氧在临床中分为急性和慢性两类[16]，例如慢性乏氧是由于细胞密度增加和细胞与毛细血管之间的距离增加，导致氧气扩散受限。相比之下，急性乏氧是由因为异物引起的血管输氧通道堵塞。医学上，常氧指的是氧分压为150mmHg，而乏氧一般指的是氧分压低于50mmHg。在常氧条件下，HIF-1α发生快速分解而无法检测到；在低于50mmHg的乏氧水平下，由于HIF-1α分解受限导致含量急剧增加，HIF-1α的产生触发了多种信号（如图1.2），激活血管生成和厌氧代谢，从而确保细胞保持活性。这些过程会有一系列乏氧相关参数的出现，因此可以通过检测HIF-1α蛋白的表达水平来间接呈现肿瘤的乏氧状态[16]。图1.2氧调节HIF的机理示意图Figure1.2ThemechanismofHIFregulationbyoxygen[16]3正电子断层扫描成像德国生物化学家奥托·沃伯格在1921年发现了一种很奇特的现象：无论氧气是否充足，癌细胞在增值的过程中消耗葡萄糖的速率都非常快，癌细胞糖酵解的效率很活跃。后人把这种肿瘤细胞糖酵解的方式称为“沃伯格效应”。正电子断层扫描成像（PositronEmissionTomography）是一种采用非损伤方式测量氧浓度的方法，通过正电子发射断层扫描（PET）对肿瘤组织进行成像的理论基础正是沃伯格效应。正电子断层扫描成像采用短寿命的正电子发射的放射性核素做显像剂[17]，比如13N、11C、15O等[18]，在生物体中，这一类显像剂很容易标记在常见的代谢化合物上，而且不会改变其生物活性，同时还可以参与到生物体的各种新陈代谢过程中。依靠这一原理，该技术能够在分子水平上反映人体的生理化学过程，从生理机能、新陈代谢等方面评价人体的生理状态。其中氧浓度检测的PET技术通过血液中15O的流动速率，确定生物体中的氧供应和消耗情况，从而能进行疾病的早期诊断、治疗，比如可以确定动脉堵塞、脑卒中[19]、肿瘤[20]、创伤性脑损伤的缺血程度。因为肿瘤的18F-FMISO摄取量与缺氧程度直接相关，所以18F-FMISO是PET量化组织乏氧程度中使用最广泛的放射性示踪剂之一[21]。18F-FMISO注射后在组织内自由扩散，起初它在组织中的初始分布只与血流相关，在成像检测期间一直保留在乏氧肿瘤组织中，因为18F-FMISO有较长的摄取时间，从而保证示踪剂不会被大量排出，这进一步提高了图像的对比度（如图1.3）。图1.3（A）18F-FMISO磁共振图像；（B）18F-FMISO的PET图像Figure1.3(A)18F-FMISOMRimage;(B)18F-FMISOPETimage[21]PET的先进性显而易见，但该技术也存在不足，这一技术不能够显示清晰的解剖结构，因此为了实现更有效的氧浓度检测，达到更精确的效果，PET经常和别的技术联用[22]，如图1.4所示，在临床使用中，经常联合使用PET与CT，可以将PET成像结果与被测对象的解剖学结构逐一对应。此外，单光子发射计算机断层扫描（Single-photonEmissionComputedTomography）也普遍地在乏氧成像领域得到了应用。图1.464Cu-TNP小鼠动脉粥样硬化PET/CT联合成像Figure1.464Cu-TNPfacilitatesPET/CTimagingofinflammatoryatherosclerosisinmice[22]4光声层析成像光声层析成像（PhotoacousticTomography）是一种非侵入式的测量方法，信号是通过吸收光子而产生的，用激光脉冲照射目标，吸收的光子能量转化为热量，导致局部组织的温度瞬间上升，引起热弹性膨胀，从而产生声波。早期的超声成像的弱对比性，导致无法对早期肿瘤进行成像，并且超声不能揭示血氧饱和度和血红蛋白浓度等重要参数，而光声层析成像克服了上述缺陷，通过将激发的光能转换为热能与声能，实现了更大的组织穿透深度，同时保持微观上的空间分辨率，在体积较大的生物组织中获得高对比度、高超声分辨率的图像，且不会对健康造成危害。在光声层析成像的诸多应用中，血氧测量是最重要的应用，并广泛应用于脑功能疾病、肿瘤乏氧、伤口愈合和癌症治疗的研究[23,24]。Kim团队[25]开发了一个三维光声成像系统（如图1.5）和一个成像算法，检测金纳米棒颗粒的存在。利用所开发的系统和方法，在静脉注射金纳米棒前后，对荷瘤小鼠进行体内三维光声成像，检测了金纳米棒颗粒的具体分布以及血氧饱和度。此外，结合肿瘤组织的银染色，发现结果与光声图像具有良好的吻合性。图1.5体内三维超声/光声成像系统示意图Figure1.5Schematicdiagramof3Dultrasound/photoacousticimagingsysteminvivo[25]Kanyi等人在2014年合成了一种新型近红外半导体聚合物纳米颗粒[26]，可以作为造影剂应用在光声成像领域，该纳米粒子不仅仅能在活体小鼠中进行全身淋巴结光声成像定位，还可以用于体内活性氧比率光声实时成像（如图1.5所示）。图1.6使用RSPN对急性水肿小鼠模型体内ROS的光声/超声图像叠加Figure1.6InvivophotoacousticimagingofROSgenerationfromamousemodelofacuteoedemausingRSPN[26]Zang等人[27]基于金纳米棒(GNR)合成一种新型多功能化纳米颗粒，应用于化疗-光声联合治疗，凭借两种互补机制能有效地杀死肿瘤细胞。通过该纳米粒子，光声成像可以准确地监测药物分布和肿瘤形态，从而指导治疗。该工作为癌症诊疗一体化提供了一种有效的新模式。图1.7GNR-DNA/FA:DOX纳米粒子注射到小鼠体内前后的近红外光声成像Figure1.7InvivophotoacousticimagesbeforeandafterintravenousinjectionwithGNR-DNA/FA:DOX[27]5磁共振成像磁共振成像（MagneticResonanceImaging）利用磁场的非侵入性，也是一种无损型氧检测方式。磁共振（MR）已被应用于组织中氧分子的检测，包括血氧水平依赖电子顺磁共振成像、磁共振成像、激光磁共振成像等[28]，现代临床磁共振扫描仪已经可以实现高准确度的成像。磁共振成像技术因其无创性、高灵敏度、高空间分辨率以及优异的三维成像能力受到越来越多研究者的关注，为研究组织病理学提供了巨大的帮助。常规临床磁共振成像检测1H核的信号，其大部分位于人体内的水和脂肪中，其他活性核如13C，19F，23Na和129Xe也可用于MRI检测。因为19F-MRI具有与1H核83%相似度的NMR灵敏性，19F-MRI受到了极大的关注。更重要的是，组织中的内源性19F浓度通常小于10-3μmol/g，19F-MRI远离了身体组织本身的背景信号干扰，因此具有较高的信噪比，所以19F-MRI是一种磁共振成像的最佳材料之一。基于此背景，Gao等人[29]综述了近几十年来，由三种主要含19F化合物制备的19F-MRI纳米探针的研究进展，19F-MRI能够在细胞甚至分子水平上对生物深层组织进行活体检测和成像，该技术已经成为一种活体生物靶点可视化的解决方案。图1.8一种具有高信噪比的19F-MRI纳米探针Figure1.819F-MRInanoprobeswithhighsignalnoiseratio[29]Nie等人[30]报道了一种超灵敏的T1加权磁共振成像(MRI)造影剂纳米颗粒，其具有类似于中性粒细胞消除外来病原体的免疫行为，表现出“靶向激活”的能力。该造影剂可以与肿瘤周围丰富的纤维蛋白复合物结合而进入肿瘤内，然后对肿瘤微环境（轻度酸性、H2O2含量升高）的病理参数进行响应，从而释放锰离子(Mn2+)到转移肿瘤处。锰离子的局部释放以及其与蛋白的相互作用，引起T1加权磁共振信号的显著放大。体内T1加权MRI实验显示，该造影剂能够以前所未有的0.39mm超低检测限检测转移肿瘤，极大扩展了以往报道的MRI探针的超低检测限。图1.9皮下乳腺肿瘤小鼠体内T1加权磁共振成像Figure1.9InvivoT1-weightedMRimagingofsubcutaneous-breast-tumormice[30]6光学成像传统的肿瘤乏氧成像需要有创伤性的氧电极插入到肿瘤组织部位，测量的过程中会对生物组织产生一定的损伤，也只能测量肿瘤组织表面，同时鉴于肿瘤体积比较大，需要多次多位点才能测量出合理数据，此外，电极在电化学还原过程中会迅速消耗氧气，信号灵敏度持续下降，导致输出结果不准确。目前的正电子断层扫描成像示踪剂只能检测非常低的氧分压水平（0-10mmHg)，磁共振成像（MRI）、正电子断层扫描成像（PET）等技术，虽然提高了乏氧传感方面的准确度，也成功的应用在临床医学中，但这些方法的成本比较昂贵，而且反复暴露于强磁场辐射中，不能用于长时间氧浓度的检测成像。因此，对低损伤、低成本和更动态的乏氧传感方法的需求，促进了无损伤型光学成像的发展。光学成像凭借实用性和成本上的巨大优势，成为新型的有潜力的癌症成像方法[31-36]。氧成像在各种缺氧相关疾病（脑血管病变、肿瘤、颅脑外伤等）中变得越来越重要。利用荧光探针的光学氧传感方法可以提供了关于活细胞和组织中氧分布的信息。氧浓度响应型荧光探针的检测机理是基于氧浓度敏感的荧光染料受激发后能够发射出荧光，且能被氧气猝灭，根据猝灭程度判断氧含量。除了直接的氧猝灭以外，一些荧光染料与氧浓度敏感的物质，发生物理或化学作用，在氧浓度改变的情况下，引起染料发光强度减弱、相关的激发峰位发生变化或者荧光峰位变化，也可以达到了氧传感的目的。下一节着重介绍两大类荧光型氧敏感探针。参考文献[1]KangKJ,PhamTH,MoonH,etal.Amicrobialfuelcellwithimprovedcathodereactionasalowbiochemicaloxygendemandsensor[J].BiotechnologyLetters,2003,25(16):1357-1361.[2]FerreiraKN,IversonTM,MaghlaouiK,etal.Architectureofthephotosyntheticoxygen-evolvingcenter[J].Science,2004,303(5665):1831-1838.[3]JiangJ,GaoL,ZhongW,etal.Developmentoffiberopticfluorescenceoxygensensorinbothinvitroandinvivosystems[J].RespiratoryPhysiology&Neurobiology,2008,161(2):160-166.[4]SakaueH,GregoryJW,SullivanJP,etal.Porouspressure-sensitivepaintforcharacterizingunsteadyflowfields[J].AIAAJournal,2002,40(6):1094-1098.[5]KamalesonAS,GonsalvesMJ,KumarS,etal.Spatio-temporalvariationsinsulfur-oxidizingandsulfate-reducingbacterialactivitiesduringupwellingoffsouth-westcoastofIndia[J].Oceanologia,2019,61(4):427-444.[6]SidhureddyB,DondapatiJS,ChenA,etal.Shape-controlledsynthesisofCo3O4forenhancedelectrocatalysisoftheoxygenevolutionreaction[J].ChemicalCommunications,2019,55(25):3626-3629.[7]JeonGW,SheldonRA,FerrieroDM,etal.Hypoxia-induciblefactor:roleincellsurvivalinsuperoxidedismutaseoverexpressingmiceafterneonatalhypoxia-ischemia[J].KoreanJournalofPediatrics,2019,62(12):444-449.[8]SegardT,RobinsPD,YusoffLF,etal.Detectionofhypoxiawith18F-FMISOPET/CTinsuspectedorprovenpancreaticcancer[J].ClinicalNulcearMedicine,2013,38(1):1-6.[9]DesikanRS,SegonneF,FischlB,etal.AnautomatedlabelingsystemforsubdividingthehumancerebralcortexonMRIscansintogyralbasedregionsofinterest[J].Neuroimage,2006,31(3):52-60.[10]LinH,ShenY,ChenD,etal.Feasibilitystudyonquantitativemeasurementsofsingletoxygengenerationusingsingletoxygensensorgreen[J].JournalofFluorescence,2013,23(1):41-47.[11]BiancoAD,BaldiniF,BacciM,etal.Anewkindofoxygen-sensitivetransducerbasedonanimmobilizedmetallo-organiccompound[J].Sensors&ActuatorsBChemical,1993,11(1193):347-350.[12]YuC,LiY,LiangM,etal.Characteristicsandhazardsofthecinnamaldehydeoxidationprocess[J].RSCAdvances,2020,10(32):19124-19138.[13]MagdalenaP,OlgaRS,LeanneMR,etal.Reducedadiposetissueoxygenationinhumanobesityevidenceforrarefaction,macrophagechemotaxis,andinflammationwithoutanangiogenicresponse[J].Di