组成图示
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传感器类型
全细胞生物传感器
检测对象
厄洛替尼（erlotinib）诱导的A549人肺腺癌细胞毒性/细胞活力；样品基质为A549细胞-Matrigel 3D凝胶及RPMI 1640/10% FBS培养液
检测原理
A549细胞与Matrigel等水凝胶共同固定于金电极上，形成三维细胞-凝胶界面。单独凝胶阻碍氧化还原介体接近电极，使SWV峰电流较低；活细胞通过间隙连接、离子通道和膜界面改变局部离子传输与电子转移阻力，使含细胞凝胶的峰电流高于仅凝胶对照（I1>I0）。加入厄洛替尼后，药物引起细胞损伤或死亡，活细胞数量减少，三维凝胶内导电/传质路径下降，导致峰电流I2降低。以(I2-I0)/(I1-I0)×100%计算细胞活力，从而将药物浓度转换为电信号。整个过程无需荧光标记，依靠方波伏安法抑制电容电流并读取法拉第电流变化。
检测灵敏度
剂量-响应相关系数: R2 = 0.86（电化学法）；R2 = 0.81（光学法）；R2 = 0.75（CCK法）
效应效果
25% Matrigel使含细胞SWV峰电流由1.95±0.04 µA升至3.09±0.07 µA（n=3，p<0.001），显著优于胶原；海藻酸盐0.25%和1%分别升至2.70±0.04 µA和2.92±0.04 µA（p<0.01）。10^6 cells/mL接种第4天死细胞少，可长期监测。厄洛替尼0–100 µM处理72 h，电化学IC50为17.54 µM（n=8，R2=0.86），光学为8.76 µM（n=4，R2=0.81），CCK为4.39 µM（n=4，R2=0.75），趋势一致且均>2 µM，提示A549对厄洛替尼耐药并体现3D培养增强耐药。该法无标记、实时、适合高通量细胞毒性筛查。
传感器的构成
- 工作电极：DropSens金丝网印刷圆盘电极（Au，Ø1.6 mm），作为电化学换能器。
- 辅助/参比电极：金对电极与银伪参比电极，构成三电极测量回路。
- 表面预处理层：BaCl2–PLL（氯化钡–聚-L-赖氨酸）滴涂干燥，用于海藻酸盐体系交联与电极表面固定。
- 三维支架层：海藻酸盐、胶原I/MAPTrIx linker或Matrigel溶胶-凝胶，形成多孔3D细胞微环境；优化条件为25% Matrigel。
- 识别/响应元件：A549人肺腺癌上皮细胞（约10^6 cells/mL），以全细胞形式嵌入凝胶，其存活与死亡状态作为响应信号来源。
- 氧化还原介体：0.5 mM K3Fe(CN)6与10 mM KCl电解质溶液，提供Fe(CN)6^3-/4-可逆电子转移对。
- 读取系统：CH Instruments 1040电化学分析仪，采用方波伏安法（SWV）读取峰电流。
中文摘要
细胞培养不仅在再生医学中具有基础作用，也深刻影响生物技术、药理学以及药物发现与制造。尽管现有细胞培养通常局限于二维体系，三维培养因能模拟体内细胞条件而受到关注。本研究提出一种应用于三维细胞培养的电化学生物传感器细胞毒性检测方法。为强化三维培养的优势，作者对多种溶胶-凝胶（海藻酸盐、胶原、Matrigel）与癌细胞之间的凝胶化实验条件进行了优化，使A549肺癌细胞能够在电极表面形成稳定的三维细胞结构，并表现出长程监测所需的电学测量重复性。进一步地，基于该方法开展的细胞毒性测试获得了A549肺癌细胞对厄洛替尼的半数抑制浓度（IC50）。因此，本研究评估了将该电化学生物传感器用于三维细胞培养细胞毒性分析的可行性，为研究三维细胞对药物化合物的响应提供了新途径。
英文摘要
Cell culture has a fundamental role not only in regenerative medicine but also in biotechnology, pharmacology, impacting both drug discovery and manufacturing. Although cell culture has been generally developed for only two-dimensional (2D) culture systems, three-dimensional (3D) culture is being spotlighted as the means to mimic in vivo cellular conditions. In this study, a method for cytotoxicity assay using an electrochemical biosensor applying 3D cell culture is presented. In order to strengthen the advantage of a 3D cell culture, the experimental condition of gelation between several types of sol-gels (alginate, collagen, matrigel) and cancer cells can be optimized to make a 3D cell structure on the electrode, which will show the reproducibility of electrical measurement for long-term monitoring. Moreover, cytotoxicity test results applying this method showed IC(50) value of A549 lung cancer cells to erlotinib. Thus, this study evaluates the feasibility of application of the electrochemical biosensor for 3D cell culture to cytotoxicity assay for investigation of 3D cell response to drug compounds.