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模塊化微流控芯片可遠(yuǎn)程實(shí)時控制腦類器官生長

微流控 ? 來源:生輝 ? 2023-01-03 18:00 ? 次閱讀
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腦是脊椎動物身體中最復(fù)雜的器官,包含了約860億個神經(jīng)元和超過100萬億個連接。多能干細(xì)胞等衍生的類器官能夠自我組裝并產(chǎn)生多種組織特異性細(xì)胞類型,更適合構(gòu)建復(fù)雜組織和系統(tǒng)。類器官技術(shù)為腦部區(qū)域構(gòu)建高質(zhì)量模型提供了更多可能。

近日,加州大學(xué)圣克魯茲分校(UCSC)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種遠(yuǎn)程自動化控制腦類器官生長的新方法。在研究中,科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個多樣化平臺(multiplex platform),能夠根據(jù)用戶要求的流速在單獨(dú)分隔的微環(huán)境中自動培養(yǎng)單個類器官。

研究人員將自動化、聯(lián)網(wǎng)的微流體芯片稱之為“Autoculture”系統(tǒng)。該系統(tǒng)可精確將營養(yǎng)液輸送到單個大腦類器官,優(yōu)化類器官的生長,且無需人為干預(yù)組織培養(yǎng)。

論文的通訊作者是加州大學(xué)圣克魯茲分校電氣和計(jì)算機(jī)工程副教授Mircea Teodorescu和分子、細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)代理教授Sofie Salama。

官方通稿中,這一研究對理解大腦發(fā)育和藥物治療癌癥、神經(jīng)退行性疾病等的作用具有重要意義。

培養(yǎng)大腦類器官往往需要在數(shù)周或數(shù)月內(nèi)維持細(xì)胞生長的精確條件。因此,在本研究中,工程師團(tuán)隊(duì)決定使用自動化系統(tǒng)減少人為干擾對細(xì)胞培養(yǎng)生長的影響,以此提高準(zhǔn)確度。官方通稿中也指出,自動化培養(yǎng)(Autoculture)解決了類器官生長過程中由于批次效應(yīng)可能造成不均一的問題,能夠幫助研究人員更好比較和驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。

Autoculture使用了研究人員設(shè)計(jì)的微流控芯片,這款新型芯片由獨(dú)特的雙層模具制成,具有微小的孔和通道,可將微量液體輸送到培養(yǎng)類器官的小孔中。與此同時,科學(xué)家們可以精確控制營養(yǎng)濃度和副產(chǎn)物。整體來看,該系統(tǒng)主要使用了現(xiàn)成的低成本組件,更具模塊化、更易于訪問。

Mircea Teodorescu指出,這臺機(jī)器的一個創(chuàng)新點(diǎn)是,一方面,它簡化了流程并確保每批次培養(yǎng)的類器官具有均一性;另一方面,極具有模塊化,該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制,芯片的不同部分可互換。

由于該系統(tǒng)向類器官不間斷輸送營養(yǎng)液,因此它更接近于大腦的真實(shí)情況,即不斷通過血液為大腦提供營養(yǎng)。

Autoculture系統(tǒng)由6個連接的模塊組成,分別是帶有加樣槽的冷藏庫,注射泵、分配閥和控制接口,冷庫中的條件培養(yǎng)基收集儲液器,與細(xì)胞培養(yǎng)箱連接的微流體串行總線,多路復(fù)用的微流控類器官芯片,以及在微環(huán)境試管內(nèi)固定的類器官。每個單獨(dú)的孔都由流體控制器控制,控制器通過抽吸將使用過的培養(yǎng)基移到冷庫里面的收集器中,然后在一定的時間間隔內(nèi)用新鮮培養(yǎng)基補(bǔ)給。

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▲圖 | 自動化微流控培養(yǎng)平臺的設(shè)計(jì)與運(yùn)行(來源:Scientific Reports)

該系統(tǒng)包含24個孔,每個孔中都是單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)槽,具有專用的入口管、出口管和收集容器。每個孔的加料時間表在速率和介質(zhì)方面完全可定制,從而增加實(shí)驗(yàn)的靈活性。基于這些控制參數(shù),整個板可以執(zhí)行相同的工作流程,并生成同批次的類器官,還能從孔1到24以濃度梯度遞增方式滴定試劑等。

此外,通過使用消息隊(duì)列遙測傳輸(MQTT)等通信協(xié)議,該系統(tǒng)可聯(lián)網(wǎng)實(shí)時同步管理、根據(jù)需求協(xié)調(diào)控制和數(shù)據(jù)采集工作。Autoculture軟件體系可以基于AWS Cloud控制試驗(yàn),比如說按需設(shè)計(jì)、啟動、暫停、修改和停止試驗(yàn)。

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(來源:Scientific Reports)

當(dāng)研究人員測量基于Autoculture系統(tǒng)培養(yǎng)的類器官時,研究人員發(fā)現(xiàn)自動化培養(yǎng)系統(tǒng)培養(yǎng)的干細(xì)胞既可以分化成各種細(xì)胞類型,還比用標(biāo)準(zhǔn)方法培養(yǎng)的細(xì)胞更健康。

RNA測序結(jié)果顯示這種培養(yǎng)方式降低了糖酵解和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激水平,有潛力解決細(xì)胞應(yīng)激力問題。

論文中指出,這項(xiàng)研究也為UCSC活細(xì)胞基因組學(xué)中心正在進(jìn)行的工作提供了一個重要的平臺。這項(xiàng)研究將計(jì)算應(yīng)用于生命科學(xué),進(jìn)一步推動了濕試驗(yàn)自動化。






審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:模塊化微流控類器官平臺,可遠(yuǎn)程自動化實(shí)時控制腦類器官生長

文章出處:【微信號:Micro-Fluidics,微信公眾號:微流控】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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