HUMIMIC类器官串联芯片培养系统

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德国TissUse 的HUMIMIC的类器官串联芯片培养系统技术平台是一种微流控微生理系统平台,能够维持和培养微缩的等效器官,模拟其各自的全尺寸对应器官的生物学功能和生物的主要特征,如生物流体流动,机械和电耦合,生理组织与流体、组织与组织的比率。类器官串联芯片培养系统包括控制单元,可同时操作多个类器官培养物,能够模拟人体内生理环境,包括温度,湿度,气流,压力,液体流动等等,芯片底部有不通的微流道设计,针对不同的器官,可以单独设置提供相应的培养条件,提供精准的培养和分化环境。

通过类器官模拟人类器官组织的生理发育过程,应用于疾病模型,如发育相关问题,遗传疾病,肿瘤癌症等、以及药物安全性评价、药物毒理学鉴定等等研究。    

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  • | 类器官介绍

     

     

           类器官是指在结构和功能上都类似来源器官或组织的模拟物,具有某一器官多种功能性细胞和组织形态结构的三维(3D)培养物,通过取特定器官的干细胞(iPS/ES),或者利用人的多能干细胞定向诱导分化,能获得微型的器官样的三维培养物,从面在体外模拟人体某个器官的发育过程。基于这一定义,可以发现类器官具备这样几个特征:

           ● 必须包含一种以上与来源器官相同的细胞类型

           ● 应该表现出来源器官所特有的一些功能

           ● 细胞的组织方式应当与来源器官相似

     

           类器官作为一个新兴的技术,在科学研究领域潜力巨大,包括发育生物学、疾病病理学、细胞生物学、再生机制、精准医疗以及药物毒性和药效试验。与传统2D细胞培养模式相比,3D培养的类器官包含多种细胞类型,能够形成具有功能的“微器官”,能更好地用于模拟器官组织的发生过程及生理病理状态,因而在基础研究以及临床诊疗方面具有广阔的应用前景。

     

           类器官培养使研究人体发育提供了不受伦理限制的平台,为药物筛选提供了新的平台,也是对现有2D培养方法和动物模型系统的高信息量的互补。

     

      

        

     |德国TissUse多器官芯片串联培养技术    

        

           通过获取两个或两个以上不同的类器官,并且放置在特定的培养芯片上进行共培养,能模拟人体的多个器官参与的生理学过程,即为多器官芯片串联培养技术。  

     

           人体生理反应往往涉及更多介质循环和不同组织间相互作用,多器官芯片才能全面反映出机体器官功能的复杂性、完整性以及功能变化,一个相互作用的系统才能更好的模拟整个系统中器官和组织的不同功能。可提供不同类器官的串联培养解决方案,避免单一类器官培养无法模拟人体器官相互通讯关联的缺陷。把多种不同器官和组织培养在芯片上,然后通过微通道连接起来,集成一个相互作用的系统,从而模拟整个系统中器官和组织的不同功能。

     

           德国TissUse公司团队人员专注于类器官培养系统研究22年,推出的HUMIMIC类器官串联芯片培养系统,得到FDA的推荐,可提供不同类器官的串联培养解决方案,避免单一类器官培养无法模拟人体器官相互通讯关联的缺陷,同时也提供相关的技术方案和后续方法试剂支持,属于国际上少有的“Multi-Organ-Chip” 和“Human-on-a-chip”的方案提供者。

     

           TissUse专有的商用MOC技术支持的器官培养物的数量范围从单个器官培养到支持复杂器官相互作用研究的器官数量,包括单器官、二器官、三器官和四器官培养的商业化的平台。成功的案例包括:肝脏、肠、皮肤、血管系统、神经组织、心脏组织、软骨、胰腺、肾脏、毛囊、肺组织、脂肪组织、肿瘤模型和骨髓以及各自的多器官串联组合方案。 

      

      

     

    |类器官串联培养系统---HUMIMIC的应用案例 

     

    1、神经球和肝脏的串联共培养 (柏林工业大学)-二联器官共培养的药物敏感性

           2015, Journal of Biotechnology, A multi-organ chip co-culture of neurospheres and liver equivalents for long-term substance testing

           目前用于药物开发的体外实验平台无法模拟人体器官的复杂性,而人类和实验室动物的系统差异巨大,因此现有的方案都不能准确预测药物的安全性和有效性。德国、葡萄牙和俄罗斯的研究团队通过TissUse GmbH公司的微流控多器官芯片(MOC)平台,测试毒物对多器官的作用,揭示了基于微流控的多器官串联共培养能够更好的模拟人体的生理学环境。在体外培养条件下,由于氧气和营养供应有限,类器官培养往往会随着时间的推移而去分化。然而微流控系统中通过持续灌注培养基,更好地控制环境条件,如清除分泌物和刺激因子,并且培养基以可控流速通过,以模拟血流产生的生物剪切应力,因此类器官培养物可以保持良好的生长状态。

           双器官串联芯片(2-OC)能够串联共培养人的神经球(NT2细胞系)和肝脏类器官(肝HepaRG细胞和肝HHSteC细胞)。在持续两周的实验中,反复加入神经毒剂2,5-己二酮,引起神经球和肝脏的细胞凋亡。跟单器官培养相比,串联共培养对毒剂更敏感。因此,多器官串联共培养在临床研究中可以更准确地预测药物的安全性和有效性。推测这是因为一个类器官的凋亡信号导致了第二个类器官对药物反应的增强,这一推测得到了实验结果的支持,即串联共培养的敏感性增加主要发生在较低浓度药物中。

     

     |HUMIMIC的专业化与定制化

     

     

     

           HUMIMIC系统能够模拟人体内生理环境,包括温度,湿度,气流,压力,液体流动等等,芯片底部有不通的微流道设计,针对不同的器官,可以单独设置提供相应的培养条件,提供精准的培养和分化环境。能高效均一的获得用于研究或药物筛选的类器官,具有较好的重复性。自动化细胞培养、分化一体设备可以高效提高类器官定向分化成功率。该系统能同时培养4种不同的类器官,通过微流控串 联在一起,进行多器官串联培养研究。

     

           TissUse Control Unit 自带液晶触摸控制屏,无需外接电脑,软件操控非常友好,可以自主设置每个器官芯片的培养条件,包括温度,压力,真空百分比,时间等参数,来达到器官培养的最佳的条件。

     

           TissUse同时提供定制化芯片和特定细胞和试剂,以及相应的技术服务及方案。

     

     

    2、心脏肝脏骨骼皮肤的串联共培养(哥伦比亚大学)-四联器官共培养的复杂通讯模型 

           Gordana Vunjak-Novakovic, Department of Biomedical Engineering, Columbia University

           哥伦比亚大学的科学家也开发了一种多器官串联芯片,建立了串联共培养心脏、肝脏、骨骼、皮肤的技术,发表于2022年的Nature Biomedical Engineering,中通过血液循环串联培养4个类器官,保持了各个类器官的表型,还研究了常见的抗癌药阿霉素对串联芯片中的类器官以及血管的影响。结果显示药物对 串联共培养类器官的影响与临床研究结果非常相似,证明了多器官串联共培养能够成功的模拟人体中的药代动力学和药效学特征。

           最值得注意的是,多器官串联芯片能够准确的预测出阿霉素的心脏毒性和心肌病,这意味着,临床医生可以减少阿霉素的治疗剂量,甚至让患者停止该治疗方案。

     

     

     3、肺肿瘤和皮肤在芯片上的串联共培养(拜耳)-抗体药物对肿瘤和正常器官的影响 

           针对EGFR抗体的药物在癌症治疗中被广泛应用。然而,抗癌药物的使用量与皮肤不良反应成正比相关,皮肤毒性是上皮生长因子受体(EGFR) 靶向治疗中最常见的副作用。但是对于后者的预测目前的方法均无法实现。

           双器官串联芯片(2-OC)模型,实现芯片上皮肤和肿瘤的共培养,用于模拟重复给药的剂量实验,同时还生成安全性和有效性的数据,可以在非常早的阶段检测到西妥昔单抗cetuximab对皮肤的几个关键副作用。这种体外分析能够在临床表现之前预评估毒性副作用,可以替代动物试验,有望成为评价EGFR抗体和其他肿瘤药物治疗指数的理想工具。

      

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