早在1969年Shaw和佩斯報(bào)道說(shuō)：“細(xì)胞耐受低O 2曝光（5％），**少20天，而連續(xù)暴露在7-10天后變性和死亡高O 2的氣氛結(jié)果”（1）。 這些是**個(gè)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)，顯示培養(yǎng)物中的細(xì)胞在缺氧中更好地存活，盡管沒(méi)有立即構(gòu)想解釋。 在接下來(lái)的45年中，超過(guò)39,000篇文章已經(jīng)發(fā)表，提供了關(guān)于細(xì)胞如何響應(yīng)氧氣可用性（PubMed）過(guò)多或短缺的詳細(xì)數(shù)據(jù)。 在低氧可用性（缺氧）中培養(yǎng)細(xì)胞已經(jīng)成為用于研究目的或用于藥物測(cè)試過(guò)程的細(xì)胞培養(yǎng)中的標(biāo)準(zhǔn)程序，在常規(guī)細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室中引入不同種類(lèi)的缺氧生物反應(yīng)器，缺氧室和復(fù)雜手套箱。 在干細(xì)胞的管理和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的進(jìn)展，甚**提高培養(yǎng)在低氧條件下或在生理相關(guān)的氧張力 （2）的需要。 問(wèn)題是氧是多少“生理相關(guān)”？

 

 

由于近期允許合并類(lèi)型的細(xì)胞和基質(zhì)分子容易球體文化設(shè)備的新多如牛毛，許多科學(xué)家都迷戀3D文化，稱(chēng)他們生理相關(guān)的文化 ，因?yàn)榕c單層培養(yǎng)相比，3D簇具有廣泛的細(xì)胞間接觸和細(xì)胞暴露在球核的細(xì)胞中具有**小O 2張力的氧張力的梯度。 

實(shí)際上，在規(guī)則的21％氧氣中培養(yǎng)的球體細(xì)胞暴露于與在表面細(xì)胞層和中心內(nèi)建立的擴(kuò)散梯度相關(guān)的寬范圍的氧氣張力，這取決于球狀體尺寸，細(xì)胞類(lèi)型和單個(gè)氧每個(gè)細(xì)胞的消耗。 

在球體中，細(xì)胞反應(yīng)是異質(zhì)的，與特定地形位置（3）（4）的氧可用性進(jìn)行衰變相關(guān)。 當(dāng)3D培養(yǎng)物建立時(shí)，氧的量不是真正控制的。 顯然，球體核心中的內(nèi)部細(xì)胞將暴露于生理氧氣張力，因?yàn)楹诵暮蜌んw之間的細(xì)胞層將使可用氧量降低到生理水平。 但這只是對(duì)真理的一種粗略的方法; 包括在球狀體中的每個(gè)細(xì)胞的可用氧氣的量取決于球體的直徑，其取決于包括在其中的細(xì)胞的數(shù)量和大小，細(xì)胞類(lèi)型，每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞周期階段和每個(gè)細(xì)胞的相對(duì)位置在球體。 球體表面（外殼）上的細(xì)胞暴露于環(huán)境氧合，并且核心中的細(xì)胞可暴露于寬范圍的氧氣張力（9）（10）。 只要介質(zhì)具有150mmHg的氧氣張力，取決于球狀體直徑和細(xì)胞類(lèi)型，內(nèi)部細(xì)胞可以如在傳統(tǒng)2D培養(yǎng)物（燒瓶，盤(pán)子...）中過(guò)氧化或完全缺氧（死亡）（參見(jiàn)圖1 ）。 10,000個(gè)細(xì)胞或更小的球體中的每個(gè)細(xì)胞的平均氧氣張力將是等于15％大氣氧氣（100mmHg）的**小值。 只有超過(guò)100,000個(gè)細(xì)胞球體將顯示從外殼到核心中心的缺氧梯度（參見(jiàn)圖1）。綠細(xì)胞氧張力在100和150mmHg之間，紅細(xì)胞氧張力在15和100mmHg之間，暗細(xì)胞低于15mmHg） 。 因此，這些3D模型需要**的注意，并且可以正確地讀取細(xì)胞間表面相互作用，但在任何情況下都不代表生理平均氧氣供應(yīng)。 

缺氧室和生物反應(yīng)器具有不同的質(zhì)量和限制。 在生物學(xué)限制方面，沒(méi)有支架或基質(zhì)的簡(jiǎn)單2D細(xì)胞培養(yǎng)物沒(méi)有廣泛的細(xì)胞間表面接觸，然而所有細(xì)胞暴露于相同的氧張力，并且預(yù)期均顯示對(duì)氧張力的均勻的適應(yīng)性反應(yīng)。這顯然是不重要的，但不是：生物學(xué)知識(shí)總是統(tǒng)計(jì)上產(chǎn)生的，基于對(duì)有限樣本的統(tǒng)計(jì)分析的通用假設(shè)。 因此，均質(zhì)樣本提供更重要的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，大樣本比小樣本提供更少的錯(cuò)誤。 對(duì)于體外細(xì)胞生理學(xué)中氧可用性的興趣在全世界的**近15年中已經(jīng)增加，通過(guò)對(duì)由暴露于非大氣量的氧所誘導(dǎo)的細(xì)胞變化的超過(guò)3000個(gè)研究（通過(guò)過(guò)量（高氧）或缺陷（缺氧），而在整個(gè)二十世紀(jì)發(fā)表的論文少于900篇。 

舊細(xì)胞培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)忽略了遞送**細(xì)胞的過(guò)量的氧，在暴露于常規(guī)21％氧氣氣氛的培養(yǎng)基中培養(yǎng); 許多分子途徑被忽略，直到**個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行（5）在人工大氣中培養(yǎng)細(xì)胞，具有降低的氧，其顯示由低可用性氧（6）（7）（8）觸發(fā)的重要調(diào)節(jié)途徑。 現(xiàn)在我們了解，用經(jīng)典的細(xì)胞培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)（21％氧氣和5％CO 2）獲得的許多研究結(jié)果可能是假象，因?yàn)檫^(guò)量的氧可下調(diào)某些基因并上調(diào)其他基因，甚**修飾分子相互作用結(jié)果。 

當(dāng)生理相關(guān)文化的概念權(quán)利它需要考慮，在shou位，氧的特定細(xì)胞可以需要的量，并且迫使預(yù)先知道該特定器官的生理氧條件。 通過(guò)知道體內(nèi)細(xì)胞類(lèi)型的生理氧氣環(huán)境，在器官中，更容易設(shè)置在孵化器氣氛中氧氣的百分比試圖在體外模擬真實(shí)組織環(huán)境。 

用精確的室獲得的缺氧可以是任何特定活組織環(huán)境中平均細(xì)胞生理學(xué)的更準(zhǔn)確和全面的例子。 環(huán)境氧氣張力可以在這些室中精確設(shè)定，并且在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，細(xì)胞培養(yǎng)裝置的培養(yǎng)基溶解代表生理環(huán)境的氧的量，使所有培養(yǎng)的細(xì)胞暴露于均勻的氧氣張力。 

有不同的文件透露特殊器官細(xì)胞中的氧氣張力的水平，器官的生理狀態(tài)，甚**器官的詳細(xì)位置（見(jiàn)附表）。基于這些數(shù)據(jù)，2D中的細(xì)胞培養(yǎng)物可以在具有控制水平的溶解氧（DO）的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，維持真正的生理氧合。 這些腔室的局限性在于，實(shí)際上所有使用固定預(yù)設(shè)水平的氧氣都是麻煩的，并且肯定是繁瑣的處理。 為了改善這種技術(shù)**控制的生理缺氧錢(qián)伯斯已創(chuàng)建（的可操作性，努力PetakaG3 LOT ）。 這些室小于微量滴定板，被設(shè)計(jì)成保持氧氣供應(yīng)的精確度，沒(méi)有電子器件，電線(xiàn)，管道或氣體罐，并且促進(jìn)在標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)箱中維持的數(shù)百萬(wàn)細(xì)胞的培養(yǎng)物中的真實(shí)生理氧合的發(fā)展。 這些生理性低氧病房的一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)是，從不允許在0和5000英尺高度內(nèi)的缺氧，因此只要培養(yǎng)基含有必需的營(yíng)養(yǎng)素，細(xì)胞仍然存活，因?yàn)橐坏┡囵B(yǎng)基達(dá)到所需的DO的**低水平通過(guò)特定細(xì)胞類(lèi)型，自動(dòng)地可忽略的大氣新氧的擴(kuò)散流進(jìn)入細(xì)胞培養(yǎng)室，保持**小溶解氧水平恒定在小于2％波動(dòng)（±≈0.5mmHg）內(nèi)。 這允許準(zhǔn)確的癌癥實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)備數(shù)百萬(wàn)腫瘤細(xì)胞培養(yǎng)在均質(zhì)生理缺氧，因?yàn)槟[瘤在體內(nèi)。 在這些室中培養(yǎng)的細(xì)胞在這些精確條件下可以轉(zhuǎn)移到高通量測(cè)試程序或注射到動(dòng)物中用于體內(nèi)評(píng)價(jià)腫瘤發(fā)生和轉(zhuǎn)移。 

重要的是考慮極端缺氧，例如培養(yǎng)箱中的1％氧氣有效地觸發(fā)獨(dú)立于細(xì)胞類(lèi)型的HIF應(yīng)答，但不對(duì)應(yīng)于氧氣的真實(shí)生理水平，僅對(duì)應(yīng)于動(dòng)物的假意外窒息。 在所有公開(kāi)的數(shù)據(jù)中，腫瘤或正常組織（甚**缺氧）中的氧的**低水平在培養(yǎng)箱中從不低于9.8mmHg或等效1.4％，例如骨髓中的髓質(zhì)胸腺和造血干細(xì)胞小基因（11） 。 正常和腫瘤組織中的平均生理氧環(huán)境為約31mmHg（相當(dāng)于培養(yǎng)箱中的4.35％氧）。 胚泡中的氧水平為約24mmHg（相當(dāng)于培養(yǎng)箱中的3.5％氧）。 然而，如果孵化器中的1％氧氣不模仿生理環(huán)境，則在21％常規(guī)大氣中的經(jīng)典，頑固和無(wú)思想孵化更糟，在**佳情況下，在**高生理水平（喂養(yǎng)乳腺）100％在乳腺癌細(xì)胞和中心肝細(xì)胞的情況下超過(guò)生理水平的1000％（參見(jiàn)表的黑色列）。 

經(jīng)典細(xì)胞培養(yǎng)物和真實(shí)生理組織之間的生理呼吸條件的巨大差異表明，在高氧細(xì)胞培養(yǎng)物中發(fā)現(xiàn)的主要細(xì)胞調(diào)節(jié)分子途徑應(yīng)當(dāng)誠(chéng)實(shí)地修改在生理?xiàng)l件下培養(yǎng)細(xì)胞。 

**近細(xì)胞培養(yǎng)裝置正在改進(jìn)（即芯片），其促進(jìn)更接近生理現(xiàn)實(shí)的組織結(jié)構(gòu)的部分體外再生，除了大小限制，這些是真實(shí)的生理體外再生的幾個(gè)模型（12）（13）。 這些技術(shù)的進(jìn)步越來(lái)越多，方法越來(lái)越有趣。