揭秘生命:類器官和器官芯片技術
類器官(Organoids)指利用成體干細胞或多能干細胞進行體外三維(3D)培養而形成的具有一定空間結構的組織類似物。盡管類器官并不是真正意義上的人體器官,但能在結構和功能上模擬真實器官,能夠Z大程度地模擬體內組織結構及功能并能夠長期穩定傳代培養。
類器官的特性具體包含多種細胞類型、一定的空間組織方式以及與在體發育類似[1],研究人員可以通過類器官來模擬人類發育和疾病。來源于人類干細胞或成年細胞產生的誘導性多能干細胞生長而來的類器官,它們的成分和結構也與原發組織相似,并且易于操作和冷凍保存。利用活檢技術就可以培養與病人具有遺傳相似性的類器官模型,同時意味著可以利用源自患者干細胞的類器官系統來進行個性化藥物功效測試,為患者提供更加精準的治療方法。
類器官技術改進成的芯片類器官,通過對正常和疾病狀態下的不同器官進行建模后的藥物測試,漸漸被廣泛使用[2]??蒲泄ぷ髡呖梢允褂闷鞴傩酒M體內狀態的體外實驗,分析藥物對細胞/組織的影響,從而有可能解決動物實驗周期長、成本高、與人體細胞同源性差等問題。目前,器官芯片逐漸成為疾病機制研究和新藥開發的新工具之一。
類器官技術在個性化醫療中的應用
類器官是在細胞和分子水平上對人體組織和器官進行建模的強大工具,可用于藥物發現、開發和測試,這種可預測的模型可以捕捉到一個人疾病的特定特征和個體對藥物的反應(包括副作用),有助于設計個性化的治療策略,也可以篩選多種活性藥物和小分子化合物以靶向候選的信號通路等,類器官還可以為再生和移植提供廣泛的組織來源[3]。
圖1. 類器官技術在個性化醫療中的潛在治療和診斷用途[3]
人體芯片與多器官芯片系統在個性化藥物治療中的應用
器官芯片技術具有相對更高的可重復性和更復雜的結構,能夠改善來源于單個類器官的局限性,以及需要多種類器官相互作用條件下的整體性研究。例如基因組編輯技術目前可用于創建個體病變組織芯片,或將干細胞技術整合到器官芯片系統中,在誘導特定細胞分化后將患者的細胞植入人體芯片中,以開發個性化模型來評估特定個體疾病的藥物療效、副作用或毒性。未來多器官芯片實驗平臺,將有助于探索個體特異性的藥代動力學過程和生物標志物,進一步開發有針對性的個體化藥物治療方案,降低藥物不良反應的發生[4]。
圖2. 人體芯片與多器官芯片系統[4]
目前類器官和器官芯片技術逐漸在器官發育、精準醫療、再生醫學、藥物篩選、基因編輯、疾病建模等領域有著廣泛的應用前景,有望為醫學研究和藥物開發帶來革命性的變革,為人類健康和醫療領域帶來巨大潛力。
在丹納赫,我們匯集科學、技術和運營的能力,讓未來科技對今日生活的影響得以加速實現。丹納赫生命科學可提供類器官研究的豐富解決方案,多種先進和創新設備助力類器官和類器官芯片的研究和開發。
自動化工作站Biomek i7聯合開發實現器官芯片檢測的自動化工作流
丹納赫生命科學旗下貝克曼庫爾特生命科學自動化團隊為解決與3D細胞培養相關的挑戰,聯合MIMETAS和開發了器官芯片檢測的自動化方法。貝克曼庫爾特生命科學的Biomek i7自動化工作站用于轉移細胞外基質膠和接種內皮細胞,配備震蕩功能的自動化兼容培養箱可實現微流體通道的連續灌注,并可以在自動化軟件中編寫設置培養基更換程序。對于類器官培養終點的測定讀數,可使用丹納赫生命科學旗下的高內涵成像分析系統對3D血管生成芽進行定量。
傾斜模塊幫助換液,震蕩模塊進行震蕩混勻,溫控模塊實現試劑以及反應的溫度控制;
在線攝像頭隨時監控實驗進程,在線培養箱可以進行在線培養并定時換液;
整合離心機后實現自動離心,可匹配后續核酸提取和二代測序DNA/RNA建庫流程。
貝克曼庫爾特生命科學的Biomek i7自動化工作站
ImageXpress Confocal HT.ai智能化共聚焦高內涵成像分析系統幫助發現重大突破
丹納赫生命科學旗下的ImageXpress Confocal HT.ai智能化共聚焦高內涵成像分析系統在類器官研究、腫瘤學、免疫學、腦科學、藥物開發等多個生物醫學領域均有廣泛的應用。其為類器官和細胞培養等生物樣本提供高通量成像:此系統配備了7色高強度激光光源和8個成像通道,提供了高擴展性和多通道成像分析能力。它采用先進的水鏡系統以提高圖像分辨率并減少像差,特別適合深入觀察厚樣品。此外,系統集成MetaXpress軟件和IN Carta軟件,兩個軟件均結合機器學習的分析功能和直觀的用戶界面,簡化高級表型分類和3D圖像分析工作流程。
的ImageXpress Confocal HT.ai智能化
共聚焦高內涵成像分析系統
Aivia AI圖像分析軟件實現自動化和高精度的智能圖像處理
丹納赫生命科學旗下徠卡顯微系統使用先進的AI工具為數據量身打造增強、分割和預測工具,實時展示數萬億個體素和數千個對象,助力精確探索細胞和組織結構。使用智能追蹤工具可進行快速神經元重建,并可定制專屬圖像分析工作流程,以實現高效批量圖像分析。
提供多種機器學習、深度學習工具以及訓練模型,解放手工操作;
構建二維至五維圖像可視化、分析與數據詮釋的完整平臺;
可靠地處理和重建高度復雜的圖像,批量完成自動分析處理;
空間分析功能,利用聚類、熱圖、降維工具等揭示細胞間的隱藏關聯。
smFISH標記的
腸道類器官
兩種顏色的
類器官簇
徠卡顯微系統的Aivia AI圖像分析軟件
參考文獻
1. Claudia Corro, Laura Novellasdemunt, Vivian S.W.Li. A brief history of organoids. Am J Physiol Cell Physiol. 2020, 319: C151.
2. Duzagac F, Saorin G, Memeo L, etal. Microfluidic Organoids-on-a-Chip: Quantum Leap in Cancer Research. Cancers. 2021, 13: 737.
3. Fatehullah, A., Tan, S., Barker, N. Organoids as an in vitro model of human development and disease. Nat Cell Biol 2016, 18: 246.
4. Tian T, Liu J, Zhu H. Organ Chips and Visualization of Biological Systems. Adv Exp Med Biol. 2023, 1199: 155.
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Molecular Devices 始創于上世紀 80 年代美國硅谷,并在全球設有多個代表處和子公司。2005 年,Molecular Devices 在上海設立了中國代表處,2010 年加入全球科學與技術的創新者丹納赫集團,2011 年正式成立商務公司: (上海) 有限公司。Molecular Devices 以持續創新、快速高效、高性能的產品及完善的售后服務著稱業內,我們一直致力于為客戶提供在生命科學研究、制藥及生物治療開發等領域蛋白和細胞生物學的創新性生物分析解決方案。
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