三種類器官解決方案詳細介紹及類器官的應用與優(yōu)化
前言
追溯人類醫(yī)學史，我們發(fā)現(xiàn)無數(shù)的突破都源于對人體內(nèi)部奧秘的探索。而今，科學的潮流正助力我們跨越更深層次的理解，揭示著生命的神秘面紗。讓我們一起探索類器官的神奇世界吧！
類器官是干細胞、前體細胞或分化細胞通過細胞-細胞相互作用以及細胞-基質(zhì)間的相互作用而自發(fā)組織的體外三維結構，能夠在多個方面再現(xiàn)體內(nèi)相應組織或器官的結構與功能。2021年，全球16個國家的60多位專家共同明確了類器官的定義。
類器官技術極大推動了基礎研究進程。傳統(tǒng)二維細胞培養(yǎng)模型與體內(nèi)組織差異較大，而類器官不僅具備多種細胞類型，還能方便進行基因編輯。在發(fā)育生物學研究中，類器官通過胚胎干細胞或誘導多能干細胞定向分化，模擬器官發(fā)育過程。類器官芯片技術結合微流控和生物傳感，實現(xiàn)規(guī)模化、自動化培養(yǎng)，模擬體內(nèi)組織特性。類器官在疾病研究、藥物篩選和再生醫(yī)學中價值重大，特別是在新冠病毒研究中，通過類器官系統(tǒng)探索病毒入侵機制和藥物篩選，提供了重要的研究基礎。
這篇文章給我們分享了一個關于類器官整合方案的知識，讓我們一起探索一下吧：
儀器名稱與功能
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儀器名稱 |
功能 |
圖片 |
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TIGR組織無酶研磨儀 |
高效快速生成均一性的單細胞懸液 |
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CASY無標記3D細胞分析系統(tǒng) |
質(zhì)控單細胞的質(zhì)量、大小、均一性，質(zhì)控類器官的大小與均一性 |
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CEROplate96/CEROplate 384超低吸附3D細胞培養(yǎng)板（U型底） |
用于培養(yǎng)液體生成聚集體進而分化為球狀體或者類器官 |
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CELLINK 3D生物打印機BIOX/BIOX6 |
3D生物打印機是一種先進的生物制造設備，專門設計用于精確和高效地構建復雜的3D生物結構，包括類器官。 |
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CELLINK個人型高精度3D生物打印機器BIO ONE |
高精度的打印含有（或無）細胞結構液滴球 |
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CERO 3D細胞類器官培養(yǎng)系統(tǒng) |
培養(yǎng)聚集體成為球狀體、類器官等 |
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CellDynamics W8 3D細胞分析儀 |
精確質(zhì)控量化類器官的結構特征 |
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On-chip SiPS單細胞生成系統(tǒng) |
自動稀釋與分配單個細胞 |
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NETRI器官芯片 |
通過對器官芯片(或類器官模型)中細胞的電生理特征進行分析，可以評估細胞的興奮性、傳導性和整體功能狀態(tài)，從而推斷出器官的功能狀態(tài)和潛在的異常情況 |
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儀器的原理和應用
1. TIGR組織無酶研磨儀
在醫(yī)學領域，技術的進步常常意味著更快、更準確的診斷和治療方法。而今，我們引領醫(yī)學進步的道路，帶來了一項革命性的技術——TIGR無酶研磨儀，以下簡稱TG，它是一種基于反向旋轉的機械解離裝置。通過預先編程的交替切割和研磨步驟，TG技術通過高效、快速、保留生物活性的細胞分離，為類器官研究提供了堅實的基礎和工具。
2. CASY無標記3D細胞分析系統(tǒng)
CASY是一種用于細胞計數(shù)和細胞質(zhì)量分析的先進設備。它能夠在三維細胞結構中測量細胞的大小、形狀和數(shù)量，并評估細胞的健康狀態(tài)。這種儀器通常用于生物醫(yī)學研究、藥物篩選、細胞培養(yǎng)和生產(chǎn)等領域。
在類器官的質(zhì)控方面，CASY無標記3D細胞分析系統(tǒng)可以用于評估類器官的細胞質(zhì)量和細胞數(shù)量。類器官是體外培養(yǎng)的三維細胞結構，可以模擬人體器官的結構和功能。在類器官的培養(yǎng)和研究過程中，確保細胞的數(shù)量、健康狀態(tài)和一致性非常重要，這些因素直接影響到類器官實驗的可重復性和結果的可信度。
3. CEROplate 96/CEROplates 384
CEROplate 96/384孔板通過提供一個理想的3D培養(yǎng)環(huán)境、抗粘附表面、長期培養(yǎng)能力、高通量應用的支持和良好的兼容性，為類器官研究提供了一個強大的工具。它簡化了類器官的培養(yǎng)過程，提升了實驗效率和數(shù)據(jù)一致性，使得類器官的研究和應用更加便捷和可靠。這兩種超低吸附的U型底的孔板設計獨特，材質(zhì)對細胞無損，不僅可以在用于誘導產(chǎn)生PSC&ESC&iPSC的聚集體產(chǎn)生從而為類器官的培養(yǎng)和分化創(chuàng)造條件。也可以用于類器官的高通量藥物篩選等下游試驗的研究。
4. BIO X/BIO X6
BIOX和BIOX6 3D生物打印機通過其多材料打印、精確控制的微環(huán)境和高效生產(chǎn)能力，為類器官研究和應用提供了強有力的支持。通過打印的類器官在疾病模型、藥物篩選和組織工程中的應用，將顯著推動生物醫(yī)學研究的進步。
5. BIO ONE
BIO ONE 個人型高精度3D生物打印機通過其高效、高精度、可溫控的打印技術，為類器官研究和藥物開發(fā)提供了強有力的支持。它能夠優(yōu)化細胞微環(huán)境，提高球狀體/類器官的生長質(zhì)量，節(jié)約資源，并加速藥物篩選和研發(fā)進程。通過提供高通量和高重復性的實驗條件，BIO ONE顯著提升了類器官研究的效率和效果，使其成為藥物研發(fā)中的得力助手。
6. CERO 3D細胞類器官培養(yǎng)系統(tǒng)
CERO 3D懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)通過其模擬體內(nèi)環(huán)境的動態(tài)懸浮培養(yǎng)方式、高效細胞產(chǎn)量、長期培養(yǎng)能力和精確的環(huán)境控制，為類器官研究提供了理想的工具。該系統(tǒng)不僅提高了類器官的細胞活力和成熟度，還降低了運行成本，優(yōu)化了資源利用，顯著促進了類器官的研究和應用。通過CERO系統(tǒng)，研究者能夠更高效、可靠地培養(yǎng)類器官，加速藥物研發(fā)和生物醫(yī)學研究的進程。
7. CellDynamics W8 3D細胞分析儀
W8 3D細胞分析儀通過其先進的微流控技術、高速攝像機實時監(jiān)測和獨特的分選操作，為類器官研究提供了重要的技術支持。它能夠精確量化類器官的結構特征（類器官的密度、大小、細胞外基質(zhì)、有無空洞和腔隙等），建立密度值與類器官生理狀態(tài)之間的關聯(lián)，簡化日常實驗流程，提高實驗效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量。W8的多功能平臺使其在類器官及其他3D細胞模型的研究中發(fā)揮了舉足輕重的作用，為科學家提供了強大的工具，助力藥物研發(fā)和生物醫(yī)學研究的進程。
8. On-chip SiPS單細胞生成系統(tǒng)
On-chip SiPS單細胞生成系統(tǒng)通過其自動化、精確控制的單細胞液滴生成技術，為類器官研究提供了理想的工具。其高效、精確和靈活的操作特點，確保了類器官形成和分析的高質(zhì)量和高可靠性。該儀器不僅在類器官研究中發(fā)揮關鍵作用，還顯著優(yōu)化了實驗流程和數(shù)據(jù)分析，為科學家提供了強大的支持，助力類器官相關的生物醫(yī)學研究和藥物開發(fā)。和TIGR單細胞制備儀聯(lián)用，獲取類器官的單細胞，用于后期單細胞測序或數(shù)字PCR擴增等下游分析來反饋類器官的指標。
9. NETRI器官芯片
細胞接種在小室中通過腔中的ECM相互作用，模擬類器官的生理、藥理、毒理學功能。這項技術的主要目的是在體外模擬人體器官的生理和病理過程，以便更好地理解疾病的發(fā)生機制、藥物的作用機制以及個體化醫(yī)療的應用。
NETRI器官芯片電生理是一種用于研究人體器官功能的技術。它基于生物醫(yī)學工程原理，利用微型芯片和生物材料構建模擬人體器官的微型環(huán)境，以模擬器官的結構和功能。在這種器官芯片中，通過集成電極和傳感器等設備，可以對模擬器官的電活動進行實時監(jiān)測和記錄。
類器官的解決方案一
NETRI器官芯片電生理技術通過模擬人體器官的微型環(huán)境和實時監(jiān)測電活動，促進對生理和病理過程的理解，為個體化醫(yī)療提供重要支持。
類器官的解決方案二
通過TG分離出病變組織中的細胞，培養(yǎng)成類器官，可以用于研究癌癥、遺傳性疾病和感染性疾病等的發(fā)病機制和進展。例如，利用患者腫瘤組織分離出的細胞培養(yǎng)腫瘤類器官，可以用于個體化藥物篩選和治療方案的制定。
具體步驟如下：
1. 通過TIGR組織無酶研磨儀分離出病變組織中的細胞，生成單細胞的懸液；
2. CASY來檢測分析單細胞的質(zhì)量好壞、大小尺寸、均一性、生物豐度等指標；
3. 類器官的生成和培養(yǎng)：
方式1：
· 使用BIO ONE 3D生物分配打印機打印干細胞或其他前體細胞形成球狀體液滴，打印到CERO plate 96或者CERO plate 384低吸附板中，然后通過溫度或者離子交聯(lián)的方式使得液滴陣列固化；
· 繼續(xù)在孔板中添加誘導培養(yǎng)基來誘導類器官的生成；
· 當聚集體的尺寸為＞300µm時，請按1:30的比例；向培養(yǎng)基中加入CERO solution1；
· 然后轉移至CERO 3D細胞類器官培養(yǎng)系統(tǒng)中加入分化培養(yǎng)基來繼續(xù)培養(yǎng)類器官；
· 期間通過CellDynamic W8來監(jiān)控類器官的均一性、質(zhì)量密度、大小尺寸，CERO可以實時監(jiān)控培養(yǎng)基的pH，我們定期更換培養(yǎng)基。
注意事項：
· 類器官培養(yǎng)很容易延續(xù)至一年或更長時間。
· CERO solution1 (添加1:30)的使用對類器官的尺寸、致密性和裂變/聚變比有積極的影響，根據(jù)類器官的大小，增加培養(yǎng)基的粘度可以支持長期培養(yǎng)。
· 為了自動檢測pH值，每個CEROtube至少需要30 ml的培養(yǎng)基。
· 更換培養(yǎng)基的最少的期限應該在7到12天之間。
· 建議一周更換一次CEROtube。
方式2：
· 也可以使用CERO 3D細胞類器官培養(yǎng)系統(tǒng)來直接培養(yǎng)PSC&ESC&癌細胞形成干細胞（或者癌細胞的）聚集體；
· 類器官的誘導：*停止旋轉5-10min。使PSC聚集體沉降下來；*小心去除上清；*用15ml PBS （無Ca2+ 和 Mg2+）清洗1次；*去除清洗用的PBS；*加入15ml誘導培養(yǎng)基孵育CERO PSC誘導和培養(yǎng)設置如下：
每周更換2次或視需要而定。與2D培養(yǎng)相比，更換頻率下降。建議每周更換一次CEROtube。進行誘導7 - 12天。
· 類器官的培養(yǎng)：
停止旋轉5-10min，使類器官沉降下來；小心去除上清；用15ml PBS （無Ca2+ 和 Mg2+）清洗1次；去除清洗用的PBS；按照下表加入分化培養(yǎng)液（期間通過CellDynamic W8來監(jiān)控類器官的均一性、質(zhì)量密度、大小尺寸）：
參考pH值從開始的顏色變化作為指示來更換培養(yǎng)基；停止旋轉5-10min，讓類器官沉降下來；小心去除上清，按比例添加新的培養(yǎng)液。
方式3：
使用CEROplate 96或者CEROplate 384來形成干細胞或者癌細胞的聚集體，然后剩余的步驟與方式2一致。
類器官的解決方案三
生物打印的工作流程：
BIO X/BIO X6 3D生物打印機采用擠出式打印技術，通過計算機控制，在 DNA Studio 軟件的協(xié)同下，在內(nèi)置潔凈室內(nèi)使用生物墨水將含有細胞、生長因子等生物材料自動打印成與三維數(shù)字模型相符的實體模型，滿足多學科交叉的生物3D打印領域研究需求。
· 選擇適當?shù)募毎愋停焊鶕?jù)類器官的性質(zhì)和功能需求，選擇合適的細胞類型，包括基礎細胞、上皮細胞、間質(zhì)細胞等。
· 使用CASY對于各種細胞類型進行質(zhì)控。
· 優(yōu)化生物墨水配方：調(diào)整生物墨水的成分和比例，以提高細胞生存率和類器官結構的穩(wěn)定性。
· 設計合適的支架結構：不需要繁瑣的CAD建模軟件的使用。儀器附帶的DNA studio 4軟件可以設計出適合類器官生長和發(fā)育的支架結構，包括通道、孔隙等細微構造。
· 考慮生物相容性和功能性：在設計和打印過程中，充分考慮生物墨水和支架材料的生物相容性和功能性，以確保細胞的生長和功能發(fā)揮。
· 優(yōu)化打印參數(shù)：根據(jù)生物墨水的特性和類器官的需求，優(yōu)化BIOX/BIOX6的打印參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的打印效果和類器官結構。
· 進行預實驗和調(diào)試：在正式打印類器官之前，進行預實驗和調(diào)試，驗證打印方案的可行性和穩(wěn)定性。
· 實施打印和培養(yǎng)計劃：根據(jù)設計方案，使用BIOX/BIOX6進行類器官的3D打印，并在打印完成后進行細胞種植和培養(yǎng)，以實現(xiàn)類器官的生長和發(fā)育。
· 使用CellDynamic W8精確量化類器官的結構特征（類器官的密度、大小、細胞外基質(zhì)、有無空洞和腔隙等），建立密度值與類器官生理狀態(tài)之間的關聯(lián)，簡化日常實驗流程，提高實驗效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量。
· 進行功能性評估和驗證：對打印出的類器官進行功能性評估和驗證，驗證其生物學特性和應用潛力，為后續(xù)的研究和應用提供支持和指導。
通過以上步驟和方案，可以有效地利用3D生物打印技術打印出復雜的類器官結構，為生物醫(yī)學研究和臨床應用提供新的可能性。
類器官的應用與優(yōu)化
