氧、葡萄糖与乳酸的集成监测设计
三维肿瘤模型存在细胞间相互作用和局部氧浓度梯度。2021 年首次在线发表于 Lab on a Chip 的研究，由德国弗赖堡大学（University of Freiburg）与亚琛工业大学附属医院（University Hospital RWTH Aachen）团队开展，尝试在培养期间直接监测这些变化。
团队将电化学传感器与微流控芯片结合，同时观察氧、葡萄糖和乳酸。研究使用患者来源的三阴性乳腺癌细胞 BCSC1，从单细胞形成三维球状结构，进一步比较生长、低氧和药物处理过程。
2 个培养区的供液、扩散与浓度梯度
芯片包含 2 个基质培养区及相邻供液通道。液体主要在通道中流动，物质通过扩散进入细胞所在基质，既为培养物提供营养，也减少细胞直接承受的流动剪切力。结构透明，因而代谢测量可以与显微镜观察共同进行。
研究通过物质传输实验和计算比较，检验不同供液方式产生的浓度分布。对称供液可使两侧环境相近，改变供液位置则形成跨培养区的梯度；中间通道的流动还可改变两侧之间的物质交换。
药物进入基质需要一定时间。计算模拟显示，多柔比星的扩散慢于用于传输实验的小分子物质，因而培养区内的浓度变化也更慢。
通道与基质内的氧测量及传感器稳定性
供液通道中的氧传感器可测进入体系的培养液，基质内传感器则更接近细胞周围的环境。随着球状结构生长，细胞耗氧增加；在后期，即使恢复供液，细胞附近的氧水平也未必回到初期水平。
团队选择较低气体渗透性的封闭结构，使氧供应主要通过培养液控制，并检验传感器长时间工作的表现。氧传感器连续运行超过 8 天后未发现明显灵敏度改变。
研究还在培养过程中设置间歇性低氧，模拟肿瘤生长时可能出现的供氧波动。每次恢复供液后，氧水平回到此前状态，细胞耗氧率也未出现明显改变，显示这一 BCSC1 模型对所测低氧变化具有较强耐受性。
抗霉素 A 与多柔比星作用后的耗氧时程
抗霉素 A 抑制线粒体电子传递，处理后细胞耗氧迅速下降，周围氧浓度升高。多柔比星引起的耗氧变化则出现得较晚。
较低多柔比星暴露所采用的浓度，曾在二维 BCSC1 培养中明显抑制细胞增殖；本研究的三维球状培养物在同一浓度下超过 24 小时仍没有明显代谢变化。提高暴露水平后，耗氧变化与显微镜观察到的细胞死亡相对应。
葡萄糖消耗、乳酸产生与传感器校准
葡萄糖消耗和乳酸产生随培养物增长增加，药物导致细胞损伤后则下降。即使供氧仍较充分，研究也观察到较明显乳酸产生。
两类传感器放在下游通道，避免其检测过程中生成的物质直接影响细胞；团队同时记录背景信号并进行前后校准。与氧传感器不同，葡萄糖和乳酸测量还需要考虑长期灵敏度变化。实际耗糖量也可能因葡萄糖扩散较慢而被低估。
葡萄糖从培养液进入基质，乳酸则由细胞产生并向外扩散，两者分子大小和来源也不同。文章特别指出，停流期间的交换主要发生在基质边缘，因而计算消耗与产生比例时必须保留这些传输条件。
供液位置影响球状结构的生长
模型从单细胞形成的球状结构大小并不完全一致。不同营养供应位置下，远离通道的结构生长更弱；作者认为废物积累等因素可能参与这种变化，因为该细胞模型中的生长并未简单随氧水平变化。
研究的主要进展，是在基质内三维培养中同时取得环境与代谢信息，并持续观察超过 1 周。它为比较药物作用时间、识别培养条件变化以及改进模型一致性提供了具体测量方法。