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生多種組織特異性細胞類型，更適合構建復雜組織和系統(tǒng)。類器官技術為腦部區(qū)域構建高質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果。

Autoculture使用了研究人員設計的微流控芯片，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用新鮮培養(yǎng)基補給。

▲圖 | 自動化微流控培養(yǎng)平臺的設計與運行（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方面完全可定制，從而增加實驗的靈活性?；谶@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測序結果顯示這種培養(yǎng)方式降低了糖酵解和內質網(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