模塊化微流控芯片可遠程實時控制腦類器官生長

腦是脊椎動物身體中最復雜的器官，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胞類型，更適合構(gòu)建復雜組織和系統(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，加州大學圣克魯茲分校（UCSC）的研究團隊開發(fā)了一種遠程自動化控制腦類器官生長的新方法。在研究中，科研團隊開發(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，且無需人為干預組織培養(yǎng)。

論文的通訊作者是加州大學圣克魯茲分校電氣和計算機工程副教授Mircea Teodorescu和分子、細胞和發(fā)育生物學代理教授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)維持細胞生長的精確條件。因此，在本研究中，工程師團隊決定使用自動化系統(tǒng)減少人為干擾對細胞培養(yǎng)生長的影響，以此提高準確度。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可能造成不均一的問題，能夠幫助研究人員更好比較和驗證試驗結(jié)果。

Autoculture使用了研究人員設(shè)計的微流控芯片，這款新型芯片由獨特的雙層模具制成，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，這臺機器的一個創(chuàng)新點是，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)由計算機控制，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，與細胞培養(yǎng)箱連接的微流體串行總線，多路復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)基補給。

▲圖 | 自動化微流控培養(yǎng)平臺的設(shè)計與運行（來源：Scientific Reports）

該系統(tǒng)包含24個孔，每個孔中都是單獨的實驗槽，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，從而增加實驗的靈活性。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，通過使用消息隊列遙測傳輸（MQTT）等通信協(xié)議，該系統(tǒng)可聯(lián)網(wǎng)實時同步管理、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，比如說按需設(shè)計、啟動、暫停、修改和停止試驗。

（來源：Scientific Reports）

當研究人員測量基于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)的干細胞既可以分化成各種細胞類型，還比用標準方法培養(yǎng)的細胞更健康。

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)應激水平，有潛力解決細胞應激力問題。

論文中指出，這項研究也為UCSC活細胞基因組學中心正在進行的工作提供了一個重要的平臺。這項研究將計算應用于生命科學，進一步推動了濕試驗自動化。

審核編輯：劉清