灌流式、多參數(shù)

類器官灌流培養(yǎng)和代謝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)—IMOLA

北京佰司特科技有限責(zé)任公司正式簽約德國(guó)cellasys公司的類器官灌流培養(yǎng)和代謝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)—IMOLA，與德國(guó)cellasys一起在中國(guó)成立cellasys China辦公室，負(fù)責(zé)德國(guó)cellasys公司在中國(guó)大陸地區(qū)，香港，澳門，中國(guó)臺(tái)灣以及新加坡的業(yè)務(wù)，主要業(yè)務(wù)為灌流式、多參數(shù)、實(shí)時(shí)代謝監(jiān)測(cè)細(xì)胞/組織/類器官培養(yǎng)和代謝監(jiān)測(cè)儀—IMOLA的市場(chǎng)推廣，客戶拜訪，宣傳講座，路演DEMO，銷售定價(jià)，投標(biāo)簽約，進(jìn)出口以及安裝售后等所有事宜。

細(xì)胞代謝主要是指細(xì)胞從環(huán)境中攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，消化吸收后排放出降解物或雜質(zhì)。大多數(shù)碳水化合物，例如葡萄糖，都是細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。在有氧條件下，葡萄糖被細(xì)胞攝取后在胞漿內(nèi)轉(zhuǎn)變成丙酮酸，然后進(jìn)入三羧酸循環(huán)代謝，最終變成二氧化碳并產(chǎn)生能量；在缺氧條件下，葡萄糖在細(xì)胞內(nèi)代謝為乳酸以提供能量?？傮w而言，細(xì)胞代謝增強(qiáng)時(shí)，葡萄糖的消耗增加，酸性的代謝產(chǎn)物也相應(yīng)增加，反之亦然。此外，外界環(huán)境因素對(duì)貼壁細(xì)胞的作用經(jīng)常影響到細(xì)胞的粘附和融合度，而細(xì)胞的粘附狀態(tài)是與細(xì)胞骨架的組織性和膜的完整性相關(guān)的，如果受到環(huán)境因素干擾，細(xì)胞則會(huì)改變其粘附方式，可能變圓或脫離基底。因此，監(jiān)測(cè)這些參數(shù)就能很好的了解細(xì)胞、組織、類器官生長(zhǎng)過程中的細(xì)胞生理狀態(tài)和代謝行為。

德國(guó)cellasys公司生產(chǎn)的灌流式、多參數(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的類器官灌流培養(yǎng)和代謝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)—IMOLA，是一種基于生物芯片的微生理參數(shù)系統(tǒng)，可以對(duì)活細(xì)胞/組織/類器官進(jìn)行連續(xù)灌流式培養(yǎng)，搭配自動(dòng)化微流泵系統(tǒng)進(jìn)行換液或者加藥，可以實(shí)現(xiàn)類器官的長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)，同時(shí)還可以進(jìn)行代謝學(xué)和形態(tài)學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，研究藥物對(duì)活細(xì)胞/組織/類器官的影響以及移除藥物后的恢復(fù)和再生效應(yīng)。通過生物芯片技術(shù)，可以培養(yǎng)大尺寸的組織器官（1cm大?。┗蛘遲ranswell小室培養(yǎng)的組織，以及多器官串聯(lián)共培養(yǎng)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)活細(xì)胞/組織/類器官的多個(gè)參數(shù)的變化，包括細(xì)胞耗氧率（pO2）、細(xì)胞產(chǎn)酸率（EAR，pH）、 細(xì)胞層的跨膜電阻值（impedance，TEER，[Z]）和培養(yǎng)基的溫度（Temperature）。

• 6個(gè)獨(dú)立的模塊可以單獨(dú)控制每一個(gè)樣品的溶液，保證每個(gè)通道的獨(dú)立性，可以連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)和監(jiān)測(cè)6種不同的細(xì)胞、組織、類器官。

• 微流控系統(tǒng)保證換液次數(shù)及頻率（1-4分鐘換液一次），始終保持培養(yǎng)環(huán)境新鮮，O2充足，不會(huì)累積代謝廢物，不會(huì)影響細(xì)胞/組織/器官的生長(zhǎng)，可以長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)檢測(cè)細(xì)胞、組織、類器官。

• 獨(dú)特的微流泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞培養(yǎng)溶液的自動(dòng)更新，自動(dòng)加藥或誘導(dǎo)因子，確保細(xì)胞分化為類器官。

• 無需標(biāo)記物、非入侵式、不用額外的試劑、不接觸細(xì)胞、不破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、不需人員監(jiān)控、全自動(dòng)檢測(cè)采集數(shù)據(jù)，并且分析導(dǎo)出曲線。

• 可以研究多次加藥后細(xì)胞耐受，不同藥物的疊加效應(yīng)，加藥后的細(xì)胞和類器官的再生恢復(fù)效應(yīng)，以及多個(gè)類器官的串聯(lián)共培養(yǎng)。

• 芯片電極監(jiān)測(cè)，而不是通用的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)靈敏度更高，檢測(cè)時(shí)間更長(zhǎng)，避免培養(yǎng)基顏色變化帶來的干擾。

• 封閉的體系設(shè)計(jì)保證了整個(gè)微流控灌流過程和培養(yǎng)過程的自動(dòng)化和無菌環(huán)境。

工作原理

      微生理測(cè)量法監(jiān)測(cè)活細(xì)胞、組織、類器官的代謝活動(dòng)。除了監(jiān)測(cè)細(xì)胞呼吸和細(xì)胞外酸化，細(xì)胞粘附和形態(tài)參數(shù)同樣提供了很多關(guān)于生命活動(dòng)的有價(jià)值的信息。我們的生物芯片集成了微型傳感器來評(píng)估這些參數(shù)，確保了高靈敏度和穩(wěn)定性，并且該方法是無需標(biāo)記，并實(shí)時(shí)連續(xù)提供多個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)。使用DALiA客戶端3.1應(yīng)用程序，可以對(duì)測(cè)量過程進(jìn)行編程并記錄數(shù)據(jù)。

IMOLA技術(shù)可以分析由自動(dòng)化灌流系統(tǒng)之中的生物芯片所獲取的代謝數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于用新鮮的細(xì)胞培養(yǎng)基或培養(yǎng)基的成分。

細(xì)胞類型:

     針對(duì)所有類型的培養(yǎng)物提供不同的合適的配件；

     對(duì)于特殊實(shí)驗(yàn)還可以通過對(duì)生物芯片的涂層來優(yōu)化培養(yǎng)效果；

     懸浮細(xì)胞、貼壁細(xì)胞、球體、Transwell細(xì)胞培養(yǎng)小室；

     大尺寸的組織器官（1cm大?。┗蛘遲ranswell小室培養(yǎng)的組織、以及商業(yè)化的組織和器官培養(yǎng)物；

應(yīng)用案例

1. 毒理動(dòng)力學(xué)（細(xì)胞/組織/類器官）

監(jiān)測(cè)培養(yǎng)的活細(xì)胞的活力是闡明化學(xué)物質(zhì)的毒理動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的關(guān)鍵。

• 是分析化學(xué)的重要試劑，可作為消毒劑和防腐劑。

• 通過3T3細(xì)胞的細(xì)胞產(chǎn)酸率（EAR，pH）來檢測(cè)的毒性作用。

• 被去除后，細(xì)胞恢復(fù)了正常的代謝指標(biāo)，說明該過程是可逆的。

• 細(xì)胞類型： 3T3小鼠胚胎成纖維細(xì)胞，貼壁細(xì)胞 

10%十二烷基*溶液(7次稀釋)對(duì)成纖維細(xì)胞的毒性作用可以通過細(xì)胞阻抗(Z)來解釋。細(xì)胞類型：L929成纖維細(xì)胞，貼壁細(xì)胞。

有了自動(dòng)灌流系統(tǒng)，在活體類似的情況下，可以映射到體外實(shí)驗(yàn)。細(xì)胞外酸化率用于評(píng)估不同濃度十二烷基*溶液對(duì)HepG2肝球蛋白的毒性。細(xì)胞類型：Hep-G2肝癌球體細(xì)胞。

表皮(RhE)是在保持臨界氣液界面的形成的，實(shí)時(shí)測(cè)量跨表皮細(xì)胞層電阻（TEER）。細(xì)胞類型：人類表皮細(xì)胞（RhE）， transwell細(xì)胞小室。

2. 藥物開發(fā)（細(xì)胞/組織/類器官）

可以研究新藥對(duì)細(xì)胞/組織/類器官代謝和生理形態(tài)的影響。測(cè)定了抗腫瘤藥物牛蒡根素對(duì)PANC-1細(xì)胞系的影響，記錄了實(shí)時(shí)生物電阻的變化。細(xì)胞類型：PANC-1人胰腺癌，貼壁細(xì)胞。

3. 環(huán)境監(jiān)測(cè)（細(xì)胞/組織/類器官）

以藻類的代謝活性為指標(biāo)來進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。本例顯示了克氏小球藻在被苯嗪草酮污染后光合活性的降低，去除毒素后光合活性的恢復(fù)。細(xì)胞類型：chlorella kesslerialgae小球藻，懸浮細(xì)胞。

4. 醫(yī)學(xué)研究（細(xì)胞/組織/類器官）

為了在治療前評(píng)估藥物的有效性，可以測(cè)試藥物對(duì)病人的細(xì)胞/組織/類器官的代謝學(xué)影響。

• 胰島，特別是產(chǎn)生胰島素的beta細(xì)胞，可以在不同的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)條件下表現(xiàn)出不同的代謝活性。在該實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)暴露于相當(dāng)于生理上低血糖和高血糖水平的葡萄糖濃度時(shí)，可檢測(cè)到beta細(xì)胞系的代謝活動(dòng)呈現(xiàn)出明顯區(qū)別，反應(yīng)了不同條件下的胰島素分泌的不同。（Gln 谷氨酰胺；Glc葡萄糖）

• 細(xì)胞類型：INS-1E，beta細(xì)胞系，貼壁細(xì)胞

Cisplatin（順鉑）是一種有效的抗癌藥物，用于治療多種實(shí)體瘤，如卵巢癌和肺癌等，并用于輔助治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤。

• Cisplatin與DNA的嘌呤堿基交聯(lián)，干擾DNA的修復(fù)機(jī)制，引起DNA損傷，激活多條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，包括ERK、p53、p73和MAPK，其中對(duì)激活凋亡影響最大，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

• 細(xì)胞類型：MCF-7人乳腺癌細(xì)胞

5. 類器官監(jiān)測(cè) 芯片上的類器官：通過自動(dòng)氣液界面監(jiān)測(cè)皮膚類器官的細(xì)胞產(chǎn)酸率和跨膜電阻值

Skin-on-a-Chip，Genes, 2018, 9, 114

• 作為人體最大的器官，皮膚代表著人體內(nèi)部和外部環(huán)境之間的結(jié)構(gòu)學(xué)屏障，將體內(nèi)器官與毒素、病原體隔離開來，并保護(hù)內(nèi)部器官免受紫外線輻射。除了屏障功能，人體皮膚還執(zhí)行人體的幾個(gè)基本功能，如熱調(diào)節(jié)、感覺和排泄。皮膚是人體抵御外部環(huán)境的影響的第一防護(hù)罩，新的化學(xué)物質(zhì)的研究，如藥物和毒素，分析和評(píng)估其對(duì)皮膚完整性的影響就是不可少的。因此，人們開發(fā)了3D皮膚類器官模型來再現(xiàn)體內(nèi)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)出三維重建人表皮模型（reconstructed human epidermis，RhE），用于在制藥、化妝品和環(huán)境研究中評(píng)估皮膚暴露于外源性物質(zhì)后的毒性反應(yīng)。

• 通過IMOLA分析儀監(jiān)測(cè)皮膚類器官模型的細(xì)胞產(chǎn)酸率（EAR，pH）和 細(xì)胞層的跨膜電阻值（impedance，TEER，[Z]）。通過連續(xù)監(jiān)測(cè)RhE細(xì)胞模型超過48小時(shí)的TEER和EAR數(shù)據(jù)表明， IMOLA分析儀可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定培養(yǎng)芯片上的皮膚類器官，并監(jiān)測(cè)整個(gè)代謝過程。

6. 類器官監(jiān)測(cè) 芯片上的類器官：在Transwell上監(jiān)測(cè)人體小腸類器官的跨膜電阻值

Tissue-on-a-Chip, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, August 2020

• 藥物毒性的研究之中，重要的一點(diǎn)就是要腸道的吸收。臨床前體內(nèi)評(píng)估通常依靠小鼠或大鼠模型。然而動(dòng)物模型不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)藥物對(duì)于人體各個(gè)方面的效應(yīng)。從結(jié)腸（大腸）癌中提取的Caco-2細(xì)胞廣泛應(yīng)用于體外藥物吸收和毒性評(píng)估的。但是，細(xì)胞系和小腸組織的相關(guān)性有限，目前只能預(yù)測(cè)跨細(xì)胞（細(xì)胞內(nèi)途徑）滲透過程。此外，貼壁單層Caco-2缺乏細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用，不能模擬人小腸的多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

• 為了克服這種生理相關(guān)性的不足，科學(xué)家開發(fā)了新的三維重建人體組織模型，在整合的氣液界面（ALI）上培養(yǎng)三維小腸類器官—EpiIntestinal-FT。這個(gè)基于人體細(xì)胞的3D類器官整合了腸上皮細(xì)胞、Paneth細(xì)胞、M細(xì)胞、簇細(xì)胞和腸道干細(xì)胞以及人腸道成纖維細(xì)胞，可以用來表征腸道功能，包括屏障、代謝、炎癥和毒性反應(yīng)。

• 通過三通道IMOLA分析儀，監(jiān)測(cè)EpiIntestinal-FT的細(xì)胞層的跨膜電阻值（impedance，TEER，[Z]）。整個(gè)測(cè)量過程是非侵入性的、實(shí)時(shí)的，并且周期性自動(dòng)更新培養(yǎng)基。在電阻值測(cè)量中，培養(yǎng)小室的頂部分別注入培養(yǎng)基，PBS和2.0% SDS。該系統(tǒng)在三個(gè)通道中都有一個(gè)自動(dòng)的ALI，可以一次在三個(gè)芯片上進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)。

7. 多類器官串聯(lián)監(jiān)測(cè) 生物芯片上的多器官串聯(lián)—多類器官代謝分析

Label-free monitoring of whole cell vitality, 35th Annual International Conference of the IEEE EMBS, Osaka, Japan, 3 – 7 July, 2013, 1607-1610

• IMOLA是一種用于在線分析活細(xì)胞組織類器官的系統(tǒng)解決方案。它利用生物芯片BioChip-C直接監(jiān)測(cè)活細(xì)胞組織類器官的代謝學(xué)參數(shù)和活細(xì)胞形態(tài)變化（生物阻抗）。樣本無需標(biāo)記，可以并行或串聯(lián)，連續(xù)且實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)周監(jiān)測(cè)。使用活細(xì)胞/組織/類器官作為樣本在體外研究藥物的毒性，以評(píng)估藥物對(duì)活細(xì)胞/組織/類器官的作用和效應(yīng)。

• 該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)包括：多參數(shù)（代謝學(xué)和形態(tài)學(xué)測(cè)定）、長(zhǎng)期連續(xù)、無需標(biāo)記、高靈敏度以及優(yōu)化的灌流系統(tǒng)（可進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)換液，加藥，去藥等過程）。 該系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可通過灌流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多器的官串聯(lián)培養(yǎng)監(jiān)測(cè)。模塊1培養(yǎng)的是具有代謝活性的細(xì)胞類器官（如HepG2三維細(xì)胞球）。這些細(xì)胞將前體藥物轉(zhuǎn)化為活性藥物后，被灌流系統(tǒng)傳送到敏感反應(yīng)的效應(yīng)細(xì)胞類器官（模塊2）中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其效果。為了得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，必須抑制各個(gè)傳感器單元之間的電流干擾，減少試驗(yàn)的干擾，將外界的影響降到至低。

• 為確保獨(dú)立測(cè)量所有細(xì)胞電信號(hào)，我們對(duì)細(xì)胞呼吸進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并在23小時(shí)后向儲(chǔ)液瓶中加入了SDS。結(jié)果顯示模塊2中的細(xì)胞受到影響的時(shí)間比模塊1中的細(xì)胞晚了20分鐘。這是由于泵速以及模塊1與模塊2之間的連接導(dǎo)致的延遲。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于兩種不同細(xì)胞或類器官可以獨(dú)立監(jiān)測(cè)，這是混合共培養(yǎng)無法實(shí)現(xiàn)的。若模塊1中細(xì)胞代謝活性非常低，則可能無法在介質(zhì)通過時(shí)積累足夠的活性物質(zhì)。對(duì)于這種特殊情況，可以使用由蠕動(dòng)泵來控制和調(diào)節(jié)液體流動(dòng)的速度和體積。