早在1969年Shaw和佩斯報道說：“細胞耐受低O 2曝光（5％），**少20天，而連續暴露在7-10天后變性和死亡高O 2的氣氛結果”（1）。 這些是**個實驗中的一個，顯示培養物中的細胞在缺氧中更好地存活，盡管沒有立即構想解釋。 在接下來的45年中，超過39,000篇文章已經發表，提供了關于細胞如何響應氧氣可用性（PubMed）過多或短缺的詳細數據。 在低氧可用性（缺氧）中培養細胞已經成為用于研究目的或用于藥物測試過程的細胞培養中的標準程序，在常規細胞培養實驗室中引入不同種類的缺氧生物反應器，缺氧室和復雜手套箱。 在干細胞的管理和再生醫學應用中的進展，甚**提高培養在低氧條件下或在生理相關的氧張力 （2）的需要。 問題是氧是多少“生理相關”？

 

 

由于近期允許合并類型的細胞和基質分子容易球體文化設備的新多如牛毛，許多科學家都迷戀3D文化，稱他們生理相關的文化 ，因為與單層培養相比，3D簇具有廣泛的細胞間接觸和細胞暴露在球核的細胞中具有**小O 2張力的氧張力的梯度。 

實際上，在規則的21％氧氣中培養的球體細胞暴露于與在表面細胞層和中心內建立的擴散梯度相關的寬范圍的氧氣張力，這取決于球狀體尺寸，細胞類型和單個氧每個細胞的消耗。 

在球體中，細胞反應是異質的，與特定地形位置（3）（4）的氧可用性進行衰變相關。 當3D培養物建立時，氧的量不是真正控制的。 顯然，球體核心中的內部細胞將暴露于生理氧氣張力，因為核心和殼體之間的細胞層將使可用氧量降低到生理水平。 但這只是對真理的一種粗略的方法; 包括在球狀體中的每個細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胞的數量和大小，細胞類型，每個細胞的細胞周期階段和每個細胞的相對位置在球體。 球體表面（外殼）上的細胞暴露于環境氧合，并且核心中的細胞可暴露于寬范圍的氧氣張力（9）（10）。 只要介質具有150mmHg的氧氣張力，取決于球狀體直徑和細胞類型，內部細胞可以如在傳統2D培養物（燒瓶，盤子...）中過氧化或完全缺氧（死亡）（參見圖1 ）。 10,000個細胞或更小的球體中的每個細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100,000個細胞球體將顯示從外殼到核心中心的缺氧梯度（參見圖1）。綠細胞氧張力在100和150mmHg之間，紅細胞氧張力在15和100mmHg之間，暗細胞低于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。 

缺氧室和生物反應器具有不同的質量和限制。 在生物學限制方面，沒有支架或基質的簡單2D細胞培養物沒有廣泛的細胞間表面接觸，然而所有細胞暴露于相同的氧張力，并且預期均顯示對氧張力的均勻的適應性反應。這顯然是不重要的，但不是：生物學知識總是統計上產生的，基于對有限樣本的統計分析的通用假設。 因此，均質樣本提供更重要的統計數據，大樣本比小樣本提供更少的錯誤。 對于體外細胞生理學中氧可用性的興趣在全世界的**近15年中已經增加，通過對由暴露于非大氣量的氧所誘導的細胞變化的超過3000個研究（通過過量（高氧）或缺陷（缺氧），而在整個二十世紀發表的論文少于900篇。 

舊細胞培養標準忽略了遞送**細胞的過量的氧，在暴露于常規21％氧氣氣氛的培養基中培養; 許多分子途徑被忽略，直到**個實驗進行（5）在人工大氣中培養細胞，具有降低的氧，其顯示由低可用性氧（6）（7）（8）觸發的重要調節途徑。 現在我們了解，用經典的細胞培養標準（21％氧氣和5％CO 2）獲得的許多研究結果可能是假象，因為過量的氧可下調某些基因并上調其他基因，甚**修飾分子相互作用結果。 

當生理相關文化的概念權利它需要考慮，在shou位，氧的特定細胞可以需要的量，并且迫使預先知道該特定器官的生理氧條件。 通過知道體內細胞類型的生理氧氣環境，在器官中，更容易設置在孵化器氣氛中氧氣的百分比試圖在體外模擬真實組織環境。 

用精確的室獲得的缺氧可以是任何特定活組織環境中平均細胞生理學的更準確和全面的例子。 環境氧氣張力可以在這些室中精確設定，并且在幾個小時內，細胞培養裝置的培養基溶解代表生理環境的氧的量，使所有培養的細胞暴露于均勻的氧氣張力。 

有不同的文件透露特殊器官細胞中的氧氣張力的水平，器官的生理狀態，甚**器官的詳細位置（見附表）。基于這些數據，2D中的細胞培養物可以在具有控制水平的溶解氧（DO）的培養基中生長，維持真正的生理氧合。 這些腔室的局限性在于，實際上所有使用固定預設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**控制的生理缺氧錢伯斯已創建（的可操作性，努力PetakaG3 LOT ）。 這些室小于微量滴定板，被設計成保持氧氣供應的精確度，沒有電子器件，電線，管道或氣體罐，并且促進在標準培養箱中維持的數百萬細胞的培養物中的真實生理氧合的發展。 這些生理性低氧病房的一個非常重要的優點是，從不允許在0和5000英尺高度內的缺氧，因此只要培養基含有必需的營養素，細胞仍然存活，因為一旦培養基達到所需的DO的**低水平通過特定細胞類型，自動地可忽略的大氣新氧的擴散流進入細胞培養室，保持**小溶解氧水平恒定在小于2％波動（±≈0.5mmHg）內。 這允許準確的癌癥實驗，準備數百萬腫瘤細胞培養在均質生理缺氧，因為腫瘤在體內。 在這些室中培養的細胞在這些精確條件下可以轉移到高通量測試程序或注射到動物中用于體內評價腫瘤發生和轉移。 

重要的是考慮極端缺氧，例如培養箱中的1％氧氣有效地觸發獨立于細胞類型的HIF應答，但不對應于氧氣的真實生理水平，僅對應于動物的假意外窒息。 在所有公開的數據中，腫瘤或正常組織（甚**缺氧）中的氧的**低水平在培養箱中從不低于9.8mmHg或等效1.4％，例如骨髓中的髓質胸腺和造血干細胞小基因（11） 。 正常和腫瘤組織中的平均生理氧環境為約31mmHg（相當于培養箱中的4.35％氧）。 胚泡中的氧水平為約24mmHg（相當于培養箱中的3.5％氧）。 然而，如果孵化器中的1％氧氣不模仿生理環境，則在21％常規大氣中的經典，頑固和無思想孵化更糟，在**佳情況下，在**高生理水平（喂養乳腺）100％在乳腺癌細胞和中心肝細胞的情況下超過生理水平的1000％（參見表的黑色列）。 

經典細胞培養物和真實生理組織之間的生理呼吸條件的巨大差異表明，在高氧細胞培養物中發現的主要細胞調節分子途徑應當誠實地修改在生理條件下培養細胞。 

**近細胞培養裝置正在改進（即芯片），其促進更接近生理現實的組織結構的部分體外再生，除了大小限制，這些是真實的生理體外再生的幾個模型（12）（13）。 這些技術的進步越來越多，方法越來越有趣。