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用微流控芯片进行自动培养脑组织

作者:生物科技

美国加州大学圣克鲁斯分校UCSC的一个工程师团队开发了一种远程自动化大脑类器官生长的新方法,一种干细胞生长的大脑组织的微型三维模型。利用大脑类器官,研究人员能够以其他模型无法达到的精度来研究和设计人脑的关键功能。这对理解大脑发育和治疗癌症或其他疾病的药物的作用具有重要意义。


UCSC Braingeners小组的研究人员研发的是一套自动化、互联网连接的微流控系统,称为“自动培养”系统。该系统精确地向各个大脑类器官输送进养料体液,以优化它们的生长,而无需人类干扰组织培养。该研究成果发表在《科学报告》杂志上。


大脑类器官需要高水平的专业性和稳定性,要保持细胞在数周或数月内精准生长的条件。使用该自动化系统可以消除人为干扰或对细胞培养生长的错误干扰,提供更可靠的结果,并让更多的科学家有机会利用人脑模型进行研究。

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图. 人类大脑类器官生成方案概述。

A. 人类多能干细胞在传统的2D培养中扩增,分离,聚集到微孔中,并使用特定的培养基,培养成熟为3D类器官,以促进大脑皮层组织分化。在这项研究中,在聚集后的第12天,类器官要么保持悬浮状态并手动维护(黑色箭头),要么转移到微流体芯片的各个孔中, 并保持自动培养(蓝色箭头)。

B. 大脑类器官培养的图像。在标准培养条件下,低放大率(左)和高放大率(中)下的图像显示了类器官形态和异质性。第5周,PAX6(绿色,桡神经胶质祖细胞)、CTIP2(BCL11B)(洋红色,兴奋性投射神经元)、ZO-1(TJP1)(白色,桡神经神经胶质端足,神经管顶端表面上的紧密连接蛋白)的免疫荧光染色显示出特征性的心室区状花环结构,桡神经细胞被神经元包围。细胞核用DAPI染色(蓝色)。

C. PDMS微流体芯片的图像。定制的细胞培养芯片,模仿标准的24孔板,容纳用于自动化实验的类器官。


自动培养系统还解决了类器官生长中由于“批次间差异”问题而产生的变化,其中类器官生长在不同的时间或不同的实验室,在相似的条件下可能会因其生长的复杂性而发生变化。使用这种统一的自动化系统可以减少差异,并使研究人员能够更好地比较和验证他们的结果。



该研究最大的挑战之一是这些培养物的可重复性不高,因为这是一个长达数月的实验。研究人员必须每隔几天更换一次培养基,并尝试统一处理这些培养物,这是非常具有挑战性的。


图. 在自动喂养的第1天,12个12天大的个体大脑皮层培养物。资料来源:Spencer Seiler


自动培养系统使用由电气和计算机工程副教授Mircea Teodorescu和生物分子工程博士生Spencer Seiler领导的研究人员设计的微流控芯片。他们的新型芯片由一种独特的双层模具制成,具有微小的孔和通道,用于将微量液体输送到类器官,这使得科学家能够对营养物质浓度和副产物进行高度控制。总体而言,该系统主要使用现成的低成本组件,使其易于访问和模块化。


这台设备的一个新颖而重要的特点是,一方面,它简化了流程,确保一切都非常一致。另一方面,它是模块化的,系统由计算机控制,芯片的不同部分是可互换的,非常独特。

由于该系统向类器官输送源源不断的液体,它更接近于大脑的真实状况,大脑不断通过血液供给营养。


与在一个培养皿中一起培养培养物的其他类器官生长方法不同,自动培养系统包含一个具有24个单独孔的培养板,因此每个孔可以是自己的实验。在该实验中,培养物可以独立生长,并以不同的可编程浓度和时间进料。培养箱中的成像系统使研究人员能够持续远程监控类器官的生长和形态。

该系统的优点在于,每个类器官都有自己的、独立的微环境,流体在微环境中流动。


此外,该系统的一个独特的特点是,可以在实验期间的任何时候取出每个单独培养物的培养基进行分析。这使得研究人员能够无创地测量pH值和葡萄糖水平等数据,这对于监测细胞生长非常重要。


该微流控系统连接到互联网,使科学家能够在任何时候远程操作并从系统中检索实时数据,而不会破坏培养。


文章来源

可否人工培养脑组织?科学家用微流控芯片实现了自动培养脑组织


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