作為固著的生物，植物不能輕易地通過遷移來規避壓力源。為了評估所經歷的非生物和生物脅迫的質量和數量，植物已經進化出復雜的信號通路。通常，屬于潛在病原體的分子在植物的質膜水平上被識別。識別后，信號會從細胞外部傳遞到細胞中，如果可能的話，最終會引發防御反應 [1]。在病原體觸發免疫 (PTI) 中，一種基礎防御反應，信號通常在二級信使 Ca 2+的幫助下傳遞。細胞外空間含有相對高濃度的Ca 2+，尤其是與細胞質中的濃度并列時。為了對病原體的存在做出反應，Ca 2+離子被轉運到細胞中，在轉錄因子的幫助下改變細胞的行為[2]。這種 Ca 2+的輸入與 H +跨質膜的轉運結合發生 [3]。質子的運輸導致細胞外 pH 值的變化，這很容易量化。pH 值變化是評估植物是否發生 PTI 反應的常用讀數。
為了快速連續篩選多種真菌代謝物的免疫活性，需要一個簡單可靠的系統來測量由 KIT 微結構技術研究所 (IMT) 與 KIT 植物研究所合作開發的微流體生物反應器 (MBR) 中的 pH 變化。因此，設計了從 PreSens pH-1 SMA HP5 到 MBR 中相應的傳感器點 SP-HP5 的可伸縮但可密封的連接器，并在機械和生物實驗中進行了檢查。MBR 是一個兩室生物反應器，用于培養植物細胞（見圖 1A）。可滲透膜將培養和營養流動室隔開。它首先由 IMT [4] 的 Tim Finkbeiner 設計，然后進一步發展。細胞可以通過橢圓形腔室兩端的兩個開口進入培養腔室。開口配有 M5 螺紋，以便用合適的螺釘密封它們。MBR 可以通過單向流連接到更多的 MBR。因此，保留在培養室中的細胞不斷地被供應來自先前 MBR 的新鮮培養基和代謝產物，而它們自己的代謝產物被運送到后面的 MBR 并帶走廢物。基本原理是通過每個 MBR 培養一種細胞來剖析細胞間通訊路徑，以獲得有關過程和反應的信息。在培養 BY2 細胞系的細胞時，通過 pH-1 SMA HP5 量化 pH 值 持續供應來自先前 MBR 的新鮮培養基和代謝產物，而它們自己的代謝產物被運送到后面的 MBR 并帶走廢物。基本原理是通過每個 MBR 培養一種細胞來剖析細胞間通訊路徑，以獲得有關過程和反應的信息。在培養 BY2 細胞系的細胞時，通過 pH-1 SMA HP5 量化 pH 值 持續供應來自先前 MBR 的新鮮培養基和代謝產物，而它們自己的代謝產物被運送到后面的 MBR 并帶走廢物。基本原理是通過每個 MBR 培養一種細胞來剖析細胞間通訊路徑，以獲得有關過程和反應的信息。在培養 BY2 細胞系的細胞時，通過 pH-1 SMA HP5 量化 pH 值MBR 培養室中的煙草。可以將待評估免疫活性的物質添加到提供給細胞的培養基中。如果可以觀察到 pH 值的增加，則可以將其解釋為目標物質具有免疫活性的第一個跡象。
材料與方法
連接設置和機械評估
連接的重要標準是密封生長室，防漏但可拆卸，并提供簡單直觀的操作。此外，我們的目標是連接器的建筑高度較小，以使系統適合在顯微鏡下觀察。根據這些要求，制造了四種連接器設計。連接器在 MBR 及其性能中進行了測試。光纖的四個連接器（見圖 2）由聚碳酸酯 (PC) 制成，因為這是 MBR 的外殼材料。兩個連接器設計有盲孔，而另外兩個連接器在之后鉆孔并密封。對于密封，測試了 PC 箔、簡單膠帶和聚二甲基硅氧烷 (PDMS)。該方法用于確定，如果由于鉆孔工具的劃痕而在盲鉆連接器中受到阻礙的透明度會影響測量的精度。此外，每種類型的一個連接器都配備了一個額外的凹槽，以便在發生泄漏時容納額外的密封環作為第二種選擇。首先，使用 Leitz Ergoplan 顯微鏡和 OceanInsight 的 Red Tide USB650 光纖光譜儀，通過測量和比較通過盲孔底部和密封箔的透射率來測試制造的連接器螺釘的透明度. 其次，對制造的連接器螺釘的密封能力進行了測試。使用經過測試的連接器密封 MBR，并連接到注射泵（Harvard Apparatus PHD Ultra）。然后，去離子水 (DI-water) 以 2 mL/min 的穩定流速泵入 MBR。測試持續 15 分鐘以確保密封*密封并保持干燥。在對連接器進行泄漏測試后，將 pH-1 SMA HP5 連接到 MBR（圖 3 A）。將 pH 傳感器點 (SP-HP5) 放置在連接器面向 MBR 內部的一側，并將連接器擰入 MBR 的開口中。最后，將光纖放置在相應的連接器中，并使用三種不同的 pH 緩沖溶液（pH 6.00、pH 7.413 和 pH 8.00，Carl Roth）一次一個泵送通過系統，以評估光纖的測量性能。傳感器連接器。將測量數據與使用 Mettler Toledo SevenCompact S220 作為外部 pH 傳感器的緩沖液測量值進行比較。
細胞系和培養設置
對于 BY2 培養測試，使用普通煙草的細胞懸浮培養物在 Murashige 和 Skoog 培養基 (MS) 中培養，含有 4.3 g/L Murashige-Skoog 鹽、30 g/L 蔗糖、200 mg/L KH2PO4、100 mg/L 肌醇、1 mg/L 硫胺素和 0.2 mg/ L 2,4-二氯苯氧乙酸。通過將 1.5 mL 的 7 天齡細胞懸液轉移到無菌錐形瓶中的 30 mL 新鮮 MS 中，每周對細胞培養物進行亞培養，并在 26°C 下在設置為 150 rpm 的軌道搖床上在黑暗中培養。為了在 MBR 內培養細胞，將 750 µL 7 天大的細胞懸液小心地移入 MBR 的培養室，并使用蠕動泵提供新鮮的 MS 培養基（見圖 3B）。流動被組織成通過芯片的單向循環流動。蠕動泵通過管道以 134 µL/min 的速度運行。
殼聚糖引起的 pH 變化的測量
已知殼聚糖可在植物細胞中誘導免疫反應，并相應改變細胞外 pH 值。在這項工作中，在 MBR 中培養的 BY2 細胞用 25 µg/mL 殼聚糖（Sigma Aldrich Chemie GmbH，德國）和相應的 0.0025% 乙酸溶劑對照進行處理。首先，該裝置安裝在如上所述的潔凈工作臺中，管道以圓形方式連接 MBR、泵和 MS 介質容器。然后以 134 µL/min 的速度將 MS 介質泵入系統并在第一次到達 MBR 時停止。將 750 µL 7 天大的細胞懸液轉移到細胞室中。啟動泵，芯片在充滿 MS 的同時直立，以促進剩余氣泡的排出。一旦 MS 介質開始從芯片的出口流出，芯片就被安裝到支架中并最終水平放置。在開始 pH 測量之前，將芯片內的傳感器平衡 90 分鐘。隨后，測量 pH 值 30 分鐘以計算基線 pH。然后加入殼聚糖或乙酸并將各自的時間點定義為0:00。處理后，每 30 秒連續測量一次 pH 值，持續 2 小時。對于每種處理，都創建了一個生物學三次。然后加入殼聚糖或乙酸并將各自的時間點定義為0:00。處理后，每 30 秒連續測量一次 pH 值，持續 2 小時。對于每種處理，都創建了一個生物學三次。然后加入殼聚糖或乙酸并將各自的時間點定義為0:00。處理后，每 30 秒連續測量一次 pH 值，持續 2 小時。對于每種處理，都創建了一個生物學三次。
結果與討論
機械結果
帶有用于光纖的鉆孔開口的兩種連接器設計覆蓋有 PC 箔、PDMS 和 3M 聚酯膠帶 851（“綠色膠帶"），以在培養室和光纖之間形成防漏邊界MBR外的光纖。在我們的實驗中，PC 箔無法充分粘合，但 3M 聚酯膠帶 851 充分密封了連接器插頭。然而，由于膠帶的綠色和低透光率，這種膠帶密封連接器不能用于 pH 測量。PDMS 密封的鉆孔也密封不漏。此外，盲鉆連接器都充分密封了 MBR。與沒有這些的連接器相比，在密封系統方面沒有明顯的優勢，包括額外的凹槽和額外的密封環。
關于透明度，PDMS 密封連接器顯示出低的傳輸率，而 PC 箔密封連接器傳輸了大約 95% 的光（見圖 4）。然而，PDMS 的低傳輸可能是由于測量設置問題造成的。
接下來，測試連接器傳感器設置的 pH 測量精度。由于制造商的 pH 緩沖值與 S220 傳感器相比是準確的，因此將測量值與作為參考的給定值進行了比較。MBR 中相關緩沖液的 pH 值以各自的流速測量 3 次，持續 10 分鐘（流速為 0 mL/min 和 2 mL/min）和 45 分鐘（流速為 0.2 mL/min） . 箱線圖是為三個測量的組合數據庫生成的（圖 5）。確定與給定緩沖值的絕對偏差。對于所有三個 pH 值的所有三個條件，四分位數范圍都很小，介于 0.014 pH 到 0.005 pH 之間。除了沒有流動循環的 6-pH 緩沖液中的 pH 值評估之外，中值和平均值幾乎相同。因此，
圖 5：使用不帶密封環凹槽的盲孔連接器，使用 pH-1 SMA HP5 測量的 pH 值與緩沖液設定值的絕對偏差。A) 緩沖液：6 pH，B) 緩沖液：7.429 pH，C) 緩沖液：8 pH。
但是，如果將不同的連接器與作為參考系統的玻璃燒杯中的測量值進行比較，則 MBR 中的測量值顯示相同緩沖液的測量值明顯高于燒杯中的測量值（圖 6）。這可能是因為傳感器是為玻璃反應器設計的，而不是通過聚合物進行測量。因為不能根據不同的測量光透射率從使用不同的連接器中導出圖案，所以假設不同連接器的不同透明度不是測量中偏移的主要原因。
結論
根據我們的實驗結果和不同設計，我們得出結論，通過不同連接器設計的光傳輸似乎不會顯著影響測量。然而，與通過玻璃燒杯的參考測量值相比，聚合物連接器的測量 pH 值似乎發生了變化。由于玻璃是傳感器指南中規定的適當反應器材料，因此可能需要進行特殊校準以應對玻璃中的光折射，從而在使用聚合物時導致測量值發生變化。如果這種轉變可以得到驗證——可能通過更多和不同的設置測試——并且具有相應斑點的 pH-1 SMA HP5 傳感器將適用于測量我們 MBR 中的 pH 值。
在之前的實驗中，我們通過使用使用電極的臺式 pH 計測量 pH 值，證實 25 µg/mL 的殼聚糖會導致 BY2 細胞的細胞外 pH 值升高。使用相同的處理，這項工作旨在證明 MBR 和 pH-1 SMA HP5 系統的組合可用于觀察與免疫反應相關的細胞外 pH 值增加。開始處理后，15 分鐘后可觀察到 pH 值顯著增加（見圖 7）。這種延遲可以通過需要將處理過的 MS 泵入 MBR 的時間來解釋。觀察到的 pH 變化表明該方法可用于篩選植物細胞上物質的免疫活性。通過使用多個通道和傳感器點，將有可能建立一種高通量篩選方法。此外，我們調查了 MBR 培養室由于培養室的橢圓形狀而導致的營養梯度的發展。關于這個評估，更大范圍內的 pH 值分析，例如，使用 VisiSens 系統，將是有趣的。然而，傳感器箔必須被穿孔以使營養流到達培養室，并且必須建立傳感器箔的安裝過程。
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