基于台式核磁共振技术的芯片实验室代谢分析新方法

《Analytical Chemistry》：Lab-on-a-Chip Metabolic Analysis Using Benchtop NMR Technology

本综述介绍了一种创新的台式核磁共振（NMR）系统与微流控芯片的集成方案，实现了器官芯片（OoC）模型的实时、无创代谢监测。通过溶解动态核极化（dDNP）超极化技术和定制射频（RF）线圈，该系统成功克服了低场NMR灵敏度限制，首次在1.4 T场强下实现了[1-13C]丙酮酸向[1-13C]乳酸转化的动态追踪，为药物筛选和疾病模型研究提供了强大工具。

　　

台式核磁共振谱仪与微流控芯片的集成设计

研究团队对商用1.4 T台式核磁共振谱仪（牛津仪器X-Pulse）进行改造，开发了专为平面微流控芯片设计的BLOC谱仪系统。该系统的核心创新在于设计了聚二甲基硅氧烷（PDMS）材质的微流控芯片（尺寸75 mm × 38 mm × 12 mm），集成被动膜泵控制超极化底物注入，并嵌入双调谐（¹H/¹³C）马鞍形射频线圈。通过电磁仿真优化，线圈在15 MHz频率下达到1.16 mT/W的₁场强度，虽略低于商业螺线管线圈（1.32 mT/W），但成功实现芯片水平放置，避免重力对细胞模型的影响。

超极化[1-¹³C]丙酮酸的弛豫与代谢动力学研究

采用溶解动态核极化（dDNP）技术将[1-¹³C]丙酮酸极化至12.5%，在BLOC系统中测得C1碳的纵向弛豫时间₁为72.4 ± 3.9 s（37 °C），与商用谱仪结果一致。通过微流控芯片注入超极化底物后，系统成功监测到乳酸脱氢酶（LDH）催化下丙酮酸向乳酸的转化，测得转化速率常数_PL为7.82 × 10^–3s^–1。进一步以人肝癌细胞（HepG2）为模型，实验显示_PL值为（3.40 ± 0.27）× 10^–3s^–1，反向反应速率_LP可忽略，证实系统对细胞代谢的实时追踪能力。

技术优势与应用前景

该平台通过超极化技术弥补了低场NMR的灵敏度不足，结合¹³C标记底物的宽谱分散特性，显著降低谱峰重叠。微流控芯片支持培养基持续更新与三维细胞模型培养，为器官芯片研究提供生理相关环境。未来通过优化极化器性能、自动化注射流程及提高细胞密度，可进一步提升信号稳定性和通量，在药物代谢分析、肿瘤模型评估等领域具有广泛应用潜力。