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(xì)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(xué)，醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200000；2. 上海健康醫(yī)學(xué)院，上海 200000）

介紹了一種非分光紅外（NDIR）CO2傳感器，進(jìn)行紅外檢測理論分析、CO2傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及外圍電路設(shè)計(jì)；應(yīng)用NDIR傳感器對HepG2貼壁細(xì)胞代謝產(chǎn)生的CO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，通過相鄰時(shí)刻的CO2濃度求差并除以時(shí)間差，得到CO2濃度變化速率。利用MATLAB軟件對CO2速率散點(diǎn)圖擬合，并求擬合曲線導(dǎo)數(shù)值為零的點(diǎn)，取該點(diǎn)縱坐標(biāo)作為該細(xì)胞代謝參考速率，最終得到腫瘤細(xì)胞糖代謝速率模型。結(jié)論：檢測四皿細(xì)胞濃度比值為1 : 2 : 3 : 4的HepG2細(xì)胞，得出其代謝參考速率比值趨同于細(xì)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(guān)于其研究日趨白熱，研究腫瘤細(xì)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(xì)胞代謝特點(diǎn)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(yǎng)物質(zhì)分解代謝的方式來輔助獲得能量[2]。當(dāng)腫瘤細(xì)胞糖酵解代謝被抑制時(shí)，其會依賴其他代謝方式生存同時(shí)產(chǎn)生CO2等產(chǎn)物，但細(xì)胞會對誘導(dǎo)凋亡的因子更敏感，易凋亡[3]，因此實(shí)時(shí)檢測腫瘤細(xì)胞代謝產(chǎn)生的CO2可辨別該細(xì)胞基礎(chǔ)代謝狀態(tài)和糖酵解抑制狀態(tài)，對靶向藥物研制有重大意義。

葡萄糖有氧反應(yīng)式：

在體外細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)中尚缺少有效的實(shí)時(shí)檢測手段，現(xiàn)有檢測手段為放射性核素法（用放射性元素標(biāo)記反應(yīng)物，利用γ射線檢測產(chǎn)物中放射線劑量以確定反應(yīng)速率）。該法只能檢測一定時(shí)間內(nèi)的積累劑量，無法實(shí)時(shí)反映葡萄糖攝取速率；由于標(biāo)記限制，無法同時(shí)檢測多個(gè)標(biāo)記物，且放射性廢棄物質(zhì)不易處理[4]。基于NDIR二氧化碳傳感器檢測細(xì)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(yīng)的波段上衰減。根據(jù)紅外檢測的基本原理和據(jù)朗伯—比爾定律可推導(dǎo)出吸光度的計(jì)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(shù)；為紅外光在待測氣體內(nèi)通過的總光程；為待測氣體吸收紅外光能量之后的光強(qiáng)，0為紅外光進(jìn)入氣室前的光強(qiáng)[5]。

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)及外圍電路

傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gè)探測窗口，一個(gè)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(shí)的光強(qiáng)能量。濾光片分別設(shè)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(jié)構(gòu)圖

傳感器外圍電路如圖2所示，由光源驅(qū)動(dòng)電路、電源電路、弱信號放大電路、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、通信電路組成[9-10]。單片機(jī)采用STM32F103芯片，輸出0.25 Hz脈沖信號，通過光源驅(qū)動(dòng)電路控制紅外光源的亮滅。紅外光源由驅(qū)動(dòng)電路以頻率0.25 Hz信號控制開啟與關(guān)閉，紅外光波發(fā)出后同時(shí)通過檢測通道和參考通道；探測器負(fù)責(zé)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(zhuǎn)換電路進(jìn)行模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換；單片機(jī)處理該信號并上傳，同時(shí)控制電源電路及調(diào)制信號[11]。

圖2 外圍電路框圖

2 細(xì)胞糖代謝速率模型

利用NDIR二氧化碳傳感器得到細(xì)胞各時(shí)刻CO2濃度散點(diǎn)圖，取相鄰時(shí)刻的CO2濃度求差并除以時(shí)間差，得到CO2濃度變化速率，利用MATLAB軟件對CO2速率散點(diǎn)圖擬合，并求擬合曲線導(dǎo)數(shù)值為零的點(diǎn)，取該點(diǎn)縱坐標(biāo)作為該細(xì)胞代謝參考速率。具體如下：

3 HepG2細(xì)胞檢測實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證模型有效性，設(shè)計(jì)了檢測HepG2細(xì)胞的CO2濃度實(shí)驗(yàn)：將HepG2按細(xì)胞數(shù)濃度比例1 : 2 : 3 : 4接種于四個(gè)培養(yǎng)皿中，待其貼壁后實(shí)時(shí)檢測第一、三天各皿內(nèi)CO2濃度，應(yīng)用代謝速率模型比較同天各皿內(nèi)的參考速率是否成上述比例。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）復(fù)蘇：將HepG2細(xì)胞復(fù)蘇后接種于直徑100 mm培養(yǎng)皿內(nèi)（7 ml DMEM培養(yǎng)基，內(nèi)含10%FBS、1%PS），置于37℃、5%CO2的細(xì)胞培養(yǎng)箱內(nèi)，待其貼壁、鋪滿皿底。

（2）傳代：將皿內(nèi)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(xì)胞于皿底分離，將皿置入培養(yǎng)箱內(nèi)，三分鐘后吸出皿內(nèi)液體至移液管并向管內(nèi)注入1 ml DMEM培養(yǎng)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(nèi)液體并加入2 ml DMEM培養(yǎng)基，移液器吹打后，按比例1 : 2 : 3 : 4（細(xì)胞數(shù)為1′105、2′105、3′105、4′105）分別加入直徑60 mm的四個(gè)培養(yǎng)皿中。將其置于細(xì)胞培養(yǎng)箱中，待細(xì)胞貼壁。

（3）CO2檢測：將各培養(yǎng)皿靜置于室溫下的超凈工作臺，同時(shí)添加一個(gè)只含同體積培養(yǎng)基的對照組。按細(xì)胞濃度由大到小的順序進(jìn)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(nèi)CO2濃度值（取80個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)）。

（4）數(shù)據(jù)處理：將上述CO2時(shí)間—濃度離散點(diǎn)，導(dǎo)入MATLAB，并繪制各皿的CO2時(shí)間—濃度圖（如圖3中a、b）。對離散點(diǎn)組成的散點(diǎn)圖進(jìn)行求導(dǎo)，得到各皿同天內(nèi)被測時(shí)的CO2濃度變化速率散點(diǎn)，對該散點(diǎn)進(jìn)行函數(shù)擬合，并繪制曲線圖（如圖4中a、b）。擬合曲線斜率為零的點(diǎn)代表此刻CO2速率變化最慢，較穩(wěn)定，以此點(diǎn)做為該皿的CO2速率參考點(diǎn)，對比同天各皿參考點(diǎn)的速率值，看其是否趨近細(xì)胞數(shù)量比例。

圖3 CO2時(shí)間—濃度圖

圖4 CO2散點(diǎn)圖及擬合圖

4 結(jié)果分析

圖3中（a）（b）為測試第一、三天的CO2時(shí)間—濃度圖，其中曲線四種顏色代表四個(gè)不同細(xì)胞數(shù)的培養(yǎng)皿，曲線每點(diǎn)表示培養(yǎng)皿在某時(shí)刻的CO2濃度，可明顯發(fā)現(xiàn)皿內(nèi)細(xì)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(shí)間—濃度速率圖，散點(diǎn)、曲線顏色區(qū)分培養(yǎng)皿。圖中各散點(diǎn)表示培養(yǎng)皿在某時(shí)刻內(nèi)CO2濃度變化速率；曲線為各散點(diǎn)的擬合曲線，表示散點(diǎn)的變化規(guī)律，可直觀得到皿內(nèi)細(xì)胞濃度與CO2濃度變化速率成正比。由于擬合曲線的極值點(diǎn)導(dǎo)數(shù)為0，表示CO2濃度變化速率穩(wěn)定，取該點(diǎn)作為培養(yǎng)皿的CO2參考速率點(diǎn)。同天內(nèi)各皿的參考速率如表1所示。由表2可知皿內(nèi)細(xì)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(yǎng)皿參考速率比值

Tab.2 Reference ratios of culture dishes

5 結(jié)語

本文研究NDIR二氧化碳傳感器，并將其應(yīng)用于檢測細(xì)胞代謝速率，建立細(xì)胞代謝速率模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示按該模型得出細(xì)胞代謝速率比值趨近與細(xì)胞數(shù)濃度比值。這一動(dòng)態(tài)檢測細(xì)胞代謝速率的方法可應(yīng)用于腫瘤細(xì)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(xué)基金：NO.81601520

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

黃鋼(1961-)，男，教授，主要研究方向：核醫(yī)學(xué)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(xì)胞糖代謝速率的研究[J]. 軟件，2018，39（8）：14-17