基于NDIR二氧化碳传感器对肿瘤细胞糖代谢速率的研究

徐 磊，黄 钢，熊征斯，臧启元



基于NDIR二氧化碳传感器对肿瘤细胞糖代谢速率的研究

徐 磊1，黄 钢2*，熊征斯1，臧启元1

（1. 上海理工大学，医疗器械与食品学院，上海 200000；2. 上海健康医学院，上海 200000）

介绍了一种非分光红外（NDIR）CO2传感器，进行红外检测理论分析、CO2传感器系统设计及外围电路设计；应用NDIR传感器对HepG2贴壁细胞代谢产生的CO2浓度进行实时检测，通过相邻时刻的CO2浓度求差并除以时间差，得到CO2浓度变化速率。利用MATLAB软件对CO2速率散点图拟合，并求拟合曲线导数值为零的点，取该点纵坐标作为该细胞代谢参考速率，最终得到肿瘤细胞糖代谢速率模型。结论：检测四皿细胞浓度比值为1 : 2 : 3 : 4的HepG2细胞，得出其代谢参考速率比值趋同于细胞浓度比值。

NDIR红外传感器；二氧化碳检测；糖代谢

0 引言

肿瘤疾病作为重症之一正日益吞噬人们的健康，关于其研究日趋白热，研究肿瘤细胞代谢及抑制代谢手段对疾病治愈有着积极作用[1]。肿瘤细胞代谢特点是：在有氧或无氧条件下均以葡萄糖酵解为能量主要获取方式，以葡萄糖氧化分解或以其他营养物质分解代谢的方式来辅助获得能量[2]。当肿瘤细胞糖酵解代谢被抑制时，其会依赖其他代谢方式生存同时产生CO2等产物，但细胞会对诱导凋亡的因子更敏感，易凋亡[3]，因此实时检测肿瘤细胞代谢产生的CO2可辨别该细胞基础代谢状态和糖酵解抑制状态，对靶向药物研制有重大意义。

葡萄糖有氧反应式：

在体外细胞学实验中尚缺少有效的实时检测手段，现有检测手段为放射性核素法（用放射性元素标记反应物，利用γ射线检测产物中放射线剂量以确定反应速率）。该法只能检测一定时间内的积累剂量，无法实时反映葡萄糖摄取速率；由于标记限制，无法同时检测多个标记物，且放射性废弃物质不易处理[4]。基于NDIR二氧化碳传感器检测细胞代谢速率可解决上述问题。

1 NDIR二氧化碳传感器研究

1.1 检测理论

红外光照射待检气体后，不同波段的红外光会被特定气体吸收，出射光能量会在相应的波段上衰减。根据红外检测的基本原理和据朗伯—比尔定律可推导出吸光度的计算公式

其中为待测气体浓度、为气体对于红外光的吸收系数；为红外光在待测气体内通过的总光程；为待测气体吸收红外光能量之后的光强，0为红外光进入气室前的光强[5]。

1.2 传感器结构及外围电路

传感器系统结构如图1，红外光源采用IRL715光源，其释放波长从可见自然光到5m，波段覆盖了CO2分子吸收的4.25m光波，光源波长范围较宽；探测器属于热电堆探测器（TPS2534传感器），其包涵两个探测窗口，一个用于收集被CO2分子吸收后的红外光波并检测光波能量，第二探测窗口做参考对照，用于检测红外光波在同等条件下未被CO2分子吸收时的光强能量。滤光片分别设置在两探测窗口表面，其作用是过滤非CO2分子吸收的光波波段，减小干扰误差[6-8]。

图1 传感器结构图

传感器外围电路如图2所示，由光源驱动电路、电源电路、弱信号放大电路、数字模拟转换电路、单片机控制电路、通信电路组成[9-10]。单片机采用STM32F103芯片，输出0.25 Hz脉冲信号，通过光源驱动电路控制红外光源的亮灭。红外光源由驱动电路以频率0.25 Hz信号控制开启与关闭，红外光波发出后同时通过检测通道和参考通道；探测器负责接收两通道光波并检测光波能量变化，其信号由弱信号方法电路放大并由转换电路进行模拟数字信号转换；单片机处理该信号并上传，同时控制电源电路及调制信号[11]。

图2 外围电路框图

2 细胞糖代谢速率模型

利用NDIR二氧化碳传感器得到细胞各时刻CO2浓度散点图，取相邻时刻的CO2浓度求差并除以时间差，得到CO2浓度变化速率，利用MATLAB软件对CO2速率散点图拟合，并求拟合曲线导数值为零的点，取该点纵坐标作为该细胞代谢参考速率。具体如下：

3 HepG2细胞检测实验

为验证模型有效性，设计了检测HepG2细胞的CO2浓度实验：将HepG2按细胞数浓度比例1 : 2 : 3 : 4接种于四个培养皿中，待其贴壁后实时检测第一、三天各皿内CO2浓度，应用代谢速率模型比较同天各皿内的参考速率是否成上述比例。

实验步骤如下：

（1）复苏：将HepG2细胞复苏后接种于直径100 mm培养皿内（7 ml DMEM培养基，内含10%FBS、1%PS），置于37℃、5%CO2的细胞培养箱内，待其贴壁、铺满皿底。

（2）传代：将皿内液体吸出，加入1 ml PBS，清洗皿底后吸出，再加入1.5 ml Trypsin使贴壁细胞于皿底分离，将皿置入培养箱内，三分钟后吸出皿内液体至移液管并向管内注入1 ml DMEM培养基终止胰酶消化过程。在1500 r/min条件下，将管离心3 min，吸出管内液体并加入2 ml DMEM培养基，移液器吹打后，按比例1 : 2 : 3 : 4（细胞数为1´105、2´105、3´105、4´105）分别加入直径60 mm的四个培养皿中。将其置于细胞培养箱中，待细胞贴壁。

（3）CO2检测：将各培养皿静置于室温下的超净工作台，同时添加一个只含同体积培养基的对照组。按细胞浓度由大到小的顺序进行检测，将CO2检测模块封盖于皿顶部，连接电脑后，以0.25 Hz的频率收集10 min内CO2浓度值（取80个数据点）。

（4）数据处理：将上述CO2时间—浓度离散点，导入MATLAB，并绘制各皿的CO2时间—浓度图（如图3中a、b）。对离散点组成的散点图进行求导，得到各皿同天内被测时的CO2浓度变化速率散点，对该散点进行函数拟合，并绘制曲线图（如图4中a、b）。拟合曲线斜率为零的点代表此刻CO2速率变化最慢，较稳定，以此点做为该皿的CO2速率参考点，对比同天各皿参考点的速率值，看其是否趋近细胞数量比例。

图3 CO2时间—浓度图

图4 CO2散点图及拟合图

4 结果分析

图3中（a）（b）为测试第一、三天的CO2时间—浓度图，其中曲线四种颜色代表四个不同细胞数的培养皿，曲线每点表示培养皿在某时刻的CO2浓度，可明显发现皿内细胞浓度与CO2浓度成正比。图4中（a）（b）为测试第一、三天的CO2时间—浓度速率图，散点、曲线颜色区分培养皿。图中各散点表示培养皿在某时刻内CO2浓度变化速率；曲线为各散点的拟合曲线，表示散点的变化规律，可直观得到皿内细胞浓度与CO2浓度变化速率成正比。由于拟合曲线的极值点导数为0，表示CO2浓度变化速率稳定，取该点作为培养皿的CO2参考速率点。同天内各皿的参考速率如表1所示。由表2可知皿内细胞浓度与CO2浓度变化速率成正比。

表1 CO2参考速率表

Tab.1 CO2 reference rate table

表2 各培养皿参考速率比值

Tab.2 Reference ratios of culture dishes

5 结语

本文研究NDIR二氧化碳传感器，并将其应用于检测细胞代谢速率，建立细胞代谢速率模型，实验结果显示按该模型得出细胞代谢速率比值趋近与细胞数浓度比值。这一动态检测细胞代谢速率的方法可应用于肿瘤细胞代谢。

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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

国家自然科学基金：NO.81601520

徐磊（1995-），男，研究生，主要研究方向：生物医学工程；熊征斯(1995-)，男，研究生，主要研究方向：生物医学工程；臧启元(1995-)，男，研究生，主要研究方向：生物医学工程。

黄钢(1961-)，男，教授，主要研究方向：核医学分子影像

本文著录格式：徐磊，黄钢，熊征斯，等. 基于NDIR二氧化碳传感器对肿瘤细胞糖代谢速率的研究[J]. 软件，2018，39（8）：14-17