《Scientific Reports》：Development of a cell-subculture bell (C-Bell) device using low-cost RGB color sensors
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为解决细胞培养状态监测依赖耗时、易变的主观人工观察问题，研究人员开发了一种基于Arduino的非侵入式、低成本自动化监测系统C-Bell。该系统利用集成RGB颜色传感器实时量化分析与细胞代谢活动相关的pH依赖性培养基颜色变化，并转化为标准化C-Bell指数。研究证实了其检测性能，并在肺癌细胞系培养中实现了结果的可视化交叉验证。该系统有望提升实验可重复性，为转化研究提供实用工具。
在生物学和生物技术研究中，细胞培养是许多实验的基石。研究人员就像辛勤的园丁，精心照料着这些微观世界的“居民”，期盼它们健康生长，为后续实验提供可靠的样本。然而，判断这些细胞“居民”的状态——是否生长良好、是否需要“分家”（传代）——却一直依赖于一项传统而古老的方法：实验员将培养皿从恒温箱中取出，放在显微镜下，用眼睛观察细胞的形态，或者凭借经验判断培养基颜色的微妙变化。这种方法不仅耗时耗力，更带来了一个挥之不去的难题：主观性。不同的人，甚至同一个人在不同时间，对细胞“长得怎么样”、颜色“变得有多深”的判断都可能存在差异。这种“人眼测不准”现象，直接威胁到科学实验的生命线——可重复性和可靠性。有没有一种方法，能让细胞培养状态的监测像用温度计测量体温一样客观、定量且自动化呢？
为了回答这个问题，一个研究团队将目光投向了我们日常生活中无处不在的颜色传感技术。他们设想，能否利用低成本、易于获取的电子元件，开发一套系统，让它代替人眼，持续、定量地“阅读”细胞培养基的颜色变化，并从中解读出细胞的“健康密码”？于是，一项旨在革新传统细胞培养监测方式的研究就此展开。
这项研究发表在《Scientific Reports》期刊上。研究人员成功开发并验证了一款名为“C-Bell”（细胞传代监测钟）的非侵入式、低成本、基于Arduino（一种开源电子原型平台）的自动化监测系统。C-Bell的核心创新在于，它利用一个集成的RGB（红、绿、蓝）颜色传感器，实时测量并分析细胞培养液中因pH（酸碱度）变化而产生的颜色改变。众所周知，细胞在生长代谢过程中会分泌酸性产物（如乳酸），导致培养基的pH下降，而许多常用的细胞培养基（如含有酚红的培养基）的颜色会随pH降低而从红色（偏碱）向黄色（偏酸）转变。C-Bell系统正是定量捕捉这一颜色转变过程，并将其转化为一个标准化的数值指标——C-Bell指数，从而客观反映细胞的代谢活跃程度和培养状态。这项研究的终极目标，是打造一个能够放置在标准CO2（二氧化碳）培养箱内，对多孔培养板进行连续、自动化监控的“智能哨兵”，彻底摒弃费力且主观的人工检查，减少实验者偏差，降低劳动需求，最终提升实验结果的再现性。其模块化、可扩展的设计，也使其能够灵活适应不同的培养条件和实验室环境，为基础研究和转化研究提供了一款实用、可靠的细胞培养自动化监控工具。
关键技术与方法
本研究主要应用了以下几项关键技术：1) 硬件系统集成：基于开源的Arduino微控制器平台，集成低成本的RGB颜色传感器模块，构建了可置于培养箱内进行实时、非侵入式光信号采集的C-Bell设备原型。2) 标准化指数构建：通过分析RGB传感器读取的原始颜色数据，建立算法，将培养基的颜色变化量化为一个名为“C-Bell指数”的标准化参数，用于客观表征培养基的酸化程度。3) 体外细胞模型验证：使用人肺癌细胞系（A549细胞）作为模型，通过设置不同的细胞接种密度，在实际的细胞培养条件下（于CO2培养箱中）测试C-Bell系统监测培养基动态酸化的能力。4) 结果交叉验证：将C-Bell指数实时分析的结果，与传统的显微镜下细胞形态学观察结果进行比对和交叉验证，以评估该自动化系统的可靠性。
研究结果
1. C-Bell系统对培养基颜色变化的检测与量化性能验证
为了验证C-Bell设备中RGB颜色传感器检测和量化颜色变化的能力，研究人员首先使用了对照培养基和人工酸化的培养基进行测试。结果表明，C-Bell系统能够清晰地区分并定量检测出因pH值不同而产生的培养基颜色差异。通过将传感器读取的RGB原始值进行处理和计算，成功推导出了C-Bell指数，该指数与培养基的酸化程度呈现出良好的相关性，初步证明了该系统将颜色视觉信号转化为客观数字指标的可行性。
2. C-Bell系统在实际细胞培养条件下的应用与评估
在验证了基本检测能力后，研究进入了更接近真实实验场景的阶段。研究人员将肺癌细胞系（A549细胞）以不同的密度接种到培养板中，然后将培养板放入CO2培养箱，并利用内置的C-Bell设备进行连续监测。随着细胞在培养箱中生长和代谢，它们会不断酸化周围的培养基。C-Bell系统成功地实时捕捉到了这一过程：随着培养时间的推移，C-Bell指数发生了规律性的变化，且指数变化的速率和幅度与接种的细胞密度密切相关。细胞密度越高，代谢越活跃，培养基酸化越快，C-Bell指数的上升（或变化）趋势也越明显。这证明C-Bell指数能够动态反映细胞群体的代谢活性。
3. C-Bell监测结果与传统显微镜观察结果的交叉验证
为确保自动化监测结果的可靠性，研究人员将基于C-Bell指数的实时培养基分析结果，与显微镜下的直接细胞观察结果进行了交叉验证。他们定期将培养板取出，在显微镜下观察细胞的形态、 confluence（汇合度）和整体状态。结果显示，C-Bell指数所指示的培养基酸化趋势与显微镜下观察到的细胞生长状态高度一致。例如，当C-Bell指数达到某一阈值时，显微镜观察往往显示细胞已达到适合传代（subculture）的密度和状态。这种一致性有力地证明，C-Bell系统提供的客观数据能够有效反映传统上依赖主观经验判断的细胞培养状态，实现了从“人眼估测”到“数据说话”的跨越。
研究结论与讨论
本研究成功地开发并验证了C-Bell——一款基于低成本RGB颜色传感器的自动化细胞培养监测设备。其主要结论是：C-Bell系统能够非侵入式地、实时地定量监测细胞培养培养基中与pH相关的颜色变化，并通过其独创的C-Bell指数将这种变化标准化。在实际应用层面，该系统在肺癌细胞系模型中得到验证，能够可靠地指示不同细胞密度下的代谢活性变化，其监测结果与传统显微镜观察结果具有良好的一致性。
这项研究的重要意义在于其针对细胞培养研究中的一个长期痛点提供了创新性解决方案。首先，C-Bell实现了监测过程的自动化与客观化，将实验者从频繁、耗时且带有主观色彩的人工观察中解放出来，并显著减少了因个人判断差异引入的误差，这直接有利于提升科学实验的可重复性——这是现代生命科学研究的基石。其次，其低成本和基于开源平台（Arduino）的模块化设计，大大降低了技术门槛和制造成本，使得即使是资源有限的中小型实验室也能轻松采用或进行定制化改造，适配各种培养器皿和环境，提升了技术的可及性和普适性。最后，C-Bell允许在培养箱内进行连续、实时的原位监测，无需频繁取出培养物，减少了外界环境对细胞的干扰，能捕捉到更动态、连续的生长代谢数据，为研究细胞行为提供了新的视角。
总之，C-Bell设备不仅仅是一个硬件创新，更代表了一种将简单、廉价的传感技术与细胞培养传统需求相结合的巧妙思路。它为解决基础研究与转化医学中细胞培养监测的标准化难题提供了一个实用、可靠且经济高效的选项，有望成为实验室常规工作的有力辅助工具，推动相关研究向更精确、更高效的方向发展。未来，通过对传感器算法和系统集成的进一步优化，C-Bell的应用潜力还可能拓展到更广泛的生物过程监测领域。
