正茂生技 侯崇平經理

近年來，氧氣在細胞生物學中的關鍵作用備受重視，尤其是在腫瘤微環境（TME）以及幹細胞培養與再生醫學中扮演著決定性的角色。為此，準確且穩定地控制細胞培養的氧氣環境，是獲得可靠科學數據的基礎。

低氧環境是腫瘤微環境(TME)的關鍵特徵，與癌細胞的侵襲性、轉移和化療耐藥性密切相關。在一項三陰性乳癌研究發現，在嚴格控制的低氧環境 (1%氧氣濃度)下，癌細胞的存活率下降，late apoptosis的比例提高。儘管如此，這些遭遇低氧的癌細胞卻分泌了更多的胞外囊泡(EV)，且其中的蛋白豐度更高，並誘發常氧環境下的癌細胞重組細胞骨架，改變細胞外型及胞外細胞基質，使其拉長延伸，提高其侵襲(invasion)能力，這表明遭遇低氧微環境的癌細胞找到了生存之道，透過胞外囊泡進行細胞間通訊，促進癌細胞轉移¹。該篇文獻的討論章節更提醒了在組織中的生理常氧含量，並非大氣中的20.9%，大多人體器官組織更可能低於5%²，因此在解釋一些癌症生理機轉，必須考慮生理常氧量，甚至需要注意細胞培養基的氧氣含量。

在抗癌藥物篩選與藥篩模型建立的研究一項研究中顯示，胰導管腺癌是極度缺氧的實體瘤，傳統上，建構癌組織類器官(organoid)來作為藥物篩選模式的培養過程，通常在常氧下進行，這會產生人為的選擇性偏差，使得適應低氧的惡性細胞亞群丟失，這樣常氧下培養的類器官組織呈現高度分化的胰臟器官組織特徵，對化療藥物有顯著的抗性，而且在後續轉換成低氧培養也無法逆轉其高度分化的細胞特徵。反之，低氧條件(1%氧氣濃度)下建構的胰臟癌組織類器官，能保留具惡性特徵的細胞亞群³。穩定的低氧培養，對於研究這些癌發機制和開發新的治療策略是至關重要，特別是在早期藥篩模型建構，因為氧氣條件差異所導致的類器官分化結果是不可逆的。

此外，在幹細胞(stem cells)培養與再生醫療領域中，在長期低氧條件下培養幹細胞，有助於維持其幹性、有助於幹細胞增殖，並且在誘導分化時，有更高比例成功分化成後續的細胞組織，有效提高後續治療的價值與潛力^4,5。有研究指出在低氧條件下，可以顯著提高體細胞重編程(re-programming )為iPSC(induced Pluripotent Stem Cells 誘導型多功能幹細胞)的效率，並影響誘導分化的走向^6,7。也有研究說明低氧預處理間葉幹細胞(MSC)會啟動HIF低氧誘導因子(Hypoxia-Inducible Factor)。HIF 具有直接與間接的調控數百個與發炎、遷移、增殖、分化、血管新生、代謝以及細胞凋亡等過程相關的基因表達，這些基因的表達變化會反映在MSC分泌的EV內容物中，不僅提高EV產量，提高核酸或蛋白的表現豐度，也增加在再生醫學中的臨床應用潛力⁸。

過往曾採用多種方法來模擬細胞的低氧狀態。然而，這些方法往往存在著穩定性和準確性的限制。大致將方法學比較整理如下表⁹:

有實驗數據顯示即使使用三氣培養箱條件下培養細胞，HIF的表現仍會因接觸到氧氣而不穩定。這是因為在細胞實驗操作或是繼代培養的過程中，需將細胞移至常氧的BSC無菌操作台操作，這個過程中細胞會接觸到氧氣，導致HIF降解。事實上，實驗中的任何氧氣都可能影響結果，甚至需要考慮培養基（medium）中的氧氣含量。有研究指出，僅20分鐘的繼代培養，就可能導致HIF降解⁹。而且當三氣培養外門開啟，不僅氧氣比例受到影響，二氧化碳、溫度、濕度的穩定也都喪失。

目前醫研部在免疫研究核心(位於第七共研) 設置了DWS (Don Whitley Scientific)的低氧工作站。DWS擁有超過40年開發厭氧或低氧工作站的經驗，為研究人員提供了無與倫比的低氧培養穩定性和操作優勢，實現實驗操作與培養於一機。此外，結合i2海馬分析儀工作站，為需要進行低氧代謝分析的實驗提供了完美的環境，確保從培養到上機檢測的過程都不暴露在常氧環境中，克服了傳統低氧研究方法的諸多限制。
儀器介紹網址:https://reg.ntuh.gov.tw/WebAppointment/Intro/S727.aspx

參考文獻：

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2. Di Mattia, M. et al. (2021). Insight into Hypoxia Stemness Control. Cells 10, 2161. https://doi.org/10.3390/cells10082161.

3. Kumano, K. et al. (2024). Hypoxia at 3D organoid establishment selects essential subclones within heterogenous pancreatic cancer. Front. Cell Dev. Biol. 12:1327772. doi: 10.3389/fcell.2024.1327772.

4. Ahmed, N. E.-M. B. et al. (2016). The effects of hypoxia on the stemness properties of human dental pulp stem cells (DPSCs). Sci. Rep. 6, 35476; doi: 10.1038/srep35476

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6. Podkalicka, P. et al. (2020). Hypoxia as a Driving Force of Pluripotent Stem Cell Reprogramming and Differentiation to Endothelial Cells. Biomolecules 10, 1614; doi:10.3390/biom10121614.

7. Yoshida, Y. et al. (2009). Hypoxia enhances the generation of induced pluripotent stem cells. Cell Stem Cell 5(3):237-41. doi: 10.1016/j.stem.2009.08.001. Epub 2009 Aug 27.

8. Victoria Pulido-Escribano. et al. (2022). Role of hypoxia preconditioning in therapeutic potential of mesenchymal stem-cell-derived extracellular vesicles.World J Stem Cells 2022 July 26; 14(7): 453-472

9. Carlos H. V. Nascimento-Filho. et al. (2022).From Tissue Physoxia to Cancer Hypoxia, Cost-Effective Methods to Study Tissue-Specific O2 Levels in Cellular Biology. Int. J. Mol. Sci. 2022, 23(10), 5633; https://doi.org/10.3390/ijms23105633

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