盡管骨髓是人體最重要的造血工廠(chǎng)，但科學(xué)家長(zhǎng)期懷疑其內(nèi)部是一個(gè)獨(dú)特的“缺氧”環(huán)境。這種低氧狀態(tài)被認(rèn)為是保護(hù)造血干細(xì)胞、維持其“青春活力”的關(guān)鍵。然而，過(guò)去的所有證據(jù)都如同隔靴搔癢——通過(guò)分析缺氧相關(guān)基因或蛋白的表達(dá)來(lái)間接推測(cè)，從未有人能直接“看到”活體動(dòng)物骨髓中真實(shí)的氧氣分布。這種間接方法就像通過(guò)觀察人們的表情來(lái)猜測(cè)房間里的空氣是否稀薄，既不精確也無(wú)法描繪細(xì)節(jié)。

這項(xiàng)發(fā)表于《自然》雜志的研究，如同為科學(xué)家配備了一雙能夠直視生命微觀世界的“眼睛”。它首次利用高靈敏度的氧微電極結(jié)合先進(jìn)成像技術(shù)，成功地對(duì)活體小鼠骨髓中的氧氣濃度進(jìn)行了直接、精確的測(cè)量。這一突破不僅證實(shí)了骨髓確實(shí)是一個(gè)整體缺氧的器官，更重要的是，它揭示了氧氣濃度在骨髓內(nèi)部存在驚人的空間異質(zhì)性，并且這種“氧氣地圖”會(huì)隨著化療、放療等治療手段發(fā)生劇烈改變。這項(xiàng)研究的意義在于，它為我們理解造血干細(xì)胞的生存環(huán)境、以及它們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)疾病和治療壓力，提供了前所未有的直接證據(jù)，為未來(lái)開(kāi)發(fā)更精準(zhǔn)的干細(xì)胞治療策略和保護(hù)措施奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本研究的最大亮點(diǎn)在于其“直接測(cè)量”的能力和由此發(fā)現(xiàn)的“顛覆性認(rèn)知”。首先，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地將雙光子磷光壽命顯微鏡技術(shù)與對(duì)氧氣極其敏感的磷光探針相結(jié)合，建立了一套全光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。這套系統(tǒng)無(wú)需插入物理電極到脆弱的骨髓中，避免了組織損傷，卻能以微米級(jí)的空間分辨率，非接觸地讀出骨髓內(nèi)任意一點(diǎn)的精確氧分壓。

其次，測(cè)量結(jié)果挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)知。盡管骨髓內(nèi)血管密集，但直接測(cè)量顯示其平均氧分壓顯著低于其他組織。更出乎意料的是，最缺氧的區(qū)域并非緊貼骨壁的表面，而是深處的竇狀隙區(qū)域。尤為關(guān)鍵的是，研究發(fā)現(xiàn)了表達(dá)巢蛋白的特定血管周?chē)难鯕鉂舛确炊^高，這與之前假設(shè)的“干細(xì)胞偏好缺氧環(huán)境”相左。最后，研究揭示了環(huán)境的重塑性：當(dāng)小鼠接受放療或化療后，由于骨髓細(xì)胞大量減少、耗氧量下降，整個(gè)骨髓的氧分壓會(huì)反常地顯著升高，原有的缺氧梯度也隨之消失。這些發(fā)現(xiàn)共同描繪了一幅動(dòng)態(tài)、復(fù)雜且與干細(xì)胞命運(yùn)息息相關(guān)的骨髓“氧氣地形圖”。

為了確保pO2測(cè)量的絕對(duì)準(zhǔn)確性，研究團(tuán)隊(duì)使用Unisense氧微電極對(duì)實(shí)驗(yàn)中所用的磷光探針進(jìn)行了關(guān)鍵的體外校準(zhǔn)。具體操作流程如下：首先，將磷光探針PtP-C343溶解在特定緩沖液中，并置于可控環(huán)境中。

然后，將Unisense OX-500型號(hào)的氧微電極的敏感尖端插入溶液。這支微電極就像一個(gè)高度專(zhuān)業(yè)化的“氧氣尺”，能夠直接、實(shí)時(shí)地讀出溶液中的絕對(duì)氧分壓值。與此同時(shí)，雙光子顯微鏡系統(tǒng)會(huì)同步測(cè)量探針在不同氧分壓條件下的磷光壽命。通過(guò)將Unisense微電極測(cè)得的客觀氧分壓數(shù)值與顯微鏡記錄的磷光壽命數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，研究人員便繪制出了一條標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)曲線(xiàn)。這條曲線(xiàn)是后續(xù)所有活體骨髓內(nèi)氧分壓測(cè)量的“標(biāo)尺”，確保了活體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖2、PtP-C343溶液的pO2值與我們的顯微鏡記錄的磷光壽命測(cè)量值的函數(shù)關(guān)系圖。pO2由插入溶液中的氧氣微電極測(cè)定。實(shí)線(xiàn)是不同實(shí)驗(yàn)室記錄的同一批PtP-C343的已公布校準(zhǔn)曲線(xiàn)。

總而言之，這項(xiàng)研究通過(guò)創(chuàng)新的光學(xué)技術(shù)與Unisense微電極的精準(zhǔn)校準(zhǔn)，首次成功繪制了活體骨髓內(nèi)的高分辨率“氧氣地圖”，直接證實(shí)了其獨(dú)特的缺氧特性及內(nèi)部異質(zhì)性。它不僅修正了我們對(duì)造血干細(xì)胞微環(huán)境的傳統(tǒng)理解，揭示了表達(dá)巢蛋白的動(dòng)脈血管區(qū)域具有相對(duì)富氧的新特征，更重要的是，發(fā)現(xiàn)了化療、放療等臨床干預(yù)手段會(huì)顯著改變這一微觀環(huán)境的氧平衡。這些發(fā)現(xiàn)如同揭示了一片未知大陸的地理詳貌，對(duì)未來(lái)探索干細(xì)胞生物學(xué)、優(yōu)化造血干細(xì)胞移植策略以及減輕癌癥治療中的骨髓抑制副作用，都具有深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。它標(biāo)志著我們對(duì)生命基本過(guò)程的研究進(jìn)入了一個(gè)能夠進(jìn)行直接、精準(zhǔn)原位觀測(cè)的新階段。

丹麥Unisense微電極可穿刺水體、動(dòng)物組織、生物膜、顆粒污泥、植物根莖葉、液體-固體擴(kuò)散邊界層，研究微區(qū)、微生態(tài)的研究系統(tǒng)，微電極穿刺系統(tǒng)可穿刺檢測(cè)動(dòng)植物組織器官/沉積物/水/土壤/底泥/生物膜/顆粒污泥等不同深度的nM級(jí)O₂、NO、N₂O、H₂S、H₂、pH、氧化還原電位、溫度等指標(biāo)變化。unisense微電極尖端最細(xì)可達(dá)幾微米，不破壞被測(cè)點(diǎn)微環(huán)境，無(wú)損傷。