新型比率荧光电纺纤维传感器：实时监测肿瘤微环境中的氧气浓度

研究背景

缺氧（Hypoxia）是实体肿瘤微环境的核心特征之一，与肿瘤的侵袭性、转移能力和治疗抗性密切相关。例如，在黑色素瘤中，低氧条件通过激活缺氧诱导因子（HIF）信号通路，促进癌细胞存活和耐药。然而，现有氧检测技术（如电化学微电极）存在空间分辨率低、侵入性强和无法实时监测等局限性，难以精确解析肿瘤微环境的动态氧梯度。近年来，光学传感器因其非侵入性和高灵敏度备受关注。其中，比率荧光技术通过同时使用氧敏感探针（信号强度随氧浓度变化）和参考染料（信号稳定），能有效消除仪器误差和背景干扰，显著提升检测精度。然而，现有传感器多基于单波长分析或刚性材料，难以模拟细胞外基质（ECM）的柔性结构，限制了其在复杂生物系统中的应用。为了解决上述科学问题，意大利纳米技术研究所基于传感静电纺丝的PTMSP聚合物纤维，开发了一款检测微环境溶解氧的传感器。

研究原理

研究团队选择聚三甲基硅丙炔（PTMSP）作为电纺纤维的基质材料。PTMSP是一种高透气性聚合物，其氧渗透系数（7700 × 10¹³ cm³）远超传统材料（如PDMS），可确保氧分子快速扩散至探针区域。通过电纺技术，将氧敏感探针Ru(dpp)₃²⁺（荧光强度随氧浓度升高而猝灭）与参考染料RBITC（荧光强度稳定）均匀嵌入纤维中，形成“信号-参考”双通道荧光响应系统（图1）。

图1：电纺纤维的制备与荧光传感机制

研究团队通过调控溶剂比例（氯仿:四氢呋喃=2:1）、纺丝参数（流速2 mL/h、电压+9 kV）和环境条件（湿度30-40%、温度30-35°C），成功制备了无缺陷、多孔且排列有序的微米级纤维（直径3.5-3.7 μm）。纤维表面的微孔结构（孔隙率17-38%）进一步增强了氧分子的渗透效率（图2）。 

图2：电纺纤维的形貌与孔隙结构

研究亮点

1. 超高灵敏度与线性响应 

- 传感器在溶解氧浓度0.23-9.2 mg/L范围内呈现线性Stern-Volmer曲线（R²=0.994），灵敏度较传统PDMS基传感器提升10倍以上（图3）。 

- 通过共聚焦显微镜（CLSM）实现了微米级空间分辨率的氧梯度成像。 

图3：氧浓度校准曲线与Stern-Volmer响应

2. 优异的生物相容性与稳定性 

- 纤维对黑色素瘤（SK-MEL2）、胰腺癌（PANC-1）和乳腺癌（MCF-7）细胞无毒性，支持细胞长期培养（图4）。 

- 探针在纤维基质中零泄漏，且荧光量子产率（QY）在极端温度（50°C）和pH（4-8）条件下保持稳定。

图4：细胞毒性测试结果

3. 动态监测肿瘤微环境 

- 在黑色素瘤与基质细胞共培养模型中，传感器成功捕捉到缺氧诱导剂Roxadustat处理后的氧浓度动态变化（图5）。 

- 高细胞密度（80,000细胞/孔）导致氧消耗加剧（DO降至2.5-3 mg/L），而低密度（40,000细胞/孔）维持接近生理水平的氧浓度（7-9 mg/L）。 

图5：肿瘤共培养模型中的氧梯度动态监测

效果及展望

    该研究在癌症研究、组织工程、环境监测等方面有巨大的应用潜力：可以实时监测肿瘤微环境中的氧梯度，解析缺氧与药物响应的关系，助力个性化治疗策略开发；也可将氧敏感纤维整合至生物支架中，动态评估再生组织的氧代谢状态，优化培养条件；也可扩展至水体或工业发酵过程中的溶解氧检测。在后续的研究中，可以做到多参数传感，如集成pH、葡萄糖等探针，构建多功能传感器阵列；也可探索体内应用新形式，开发可植入式纤维器件，实现活体水平的氧代谢成像。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117481