模塊化微流控芯片可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制腦類器官生長(zhǎng)

腦是脊椎動(dòng)物身體中最復(fù)雜的器官，包含了約860億個(gè)神經(jīng)元和超過(guò)100萬(wàn)億個(gè)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(kāi)發(fā)了一種遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制腦類器官生長(zhǎng)的新方法。在研究中，科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)多樣化平臺(tái)（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(dòng)培養(yǎng)單個(gè)類器官。

研究人員將自動(dòng)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(yíng)養(yǎng)液輸送到單個(gè)大腦類器官，優(yōu)化類器官的生長(zhǎng)，且無(wú)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(duì)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(zhǎng)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(dòng)化系統(tǒng)減少人為干擾對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)生長(zhǎng)的影響，以此提高準(zhǔn)確度。官方通稿中也指出，自動(dòng)化培養(yǎng)（Autoculture）解決了類器官生長(zhǎng)過(guò)程中由于批次效應(yīng)可能造成不均一的問(wèn)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(shí)，科學(xué)家們可以精確控制營(yíng)養(yǎng)濃度和副產(chǎn)物。整體來(lái)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(wèn)。

Mircea Teodorescu指出，這臺(tái)機(jī)器的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是，一方面，它簡(jiǎn)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(yíng)養(yǎng)液，因此它更接近于大腦的真實(shí)情況，即不斷通過(guò)血液為大腦提供營(yíng)養(yǎng)。

Autoculture系統(tǒng)由6個(gè)連接的模塊組成，分別是帶有加樣槽的冷藏庫(kù)，注射泵、分配閥和控制接口，冷庫(kù)中的條件培養(yǎng)基收集儲(chǔ)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(gè)單獨(dú)的孔都由流體控制器控制，控制器通過(guò)抽吸將使用過(guò)的培養(yǎng)基移到冷庫(kù)里面的收集器中，然后在一定的時(shí)間間隔內(nèi)用新鮮培養(yǎng)基補(bǔ)給。

▲圖 | 自動(dòng)化微流控培養(yǎng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行（來(lái)源：Scientific Reports）

該系統(tǒng)包含24個(gè)孔，每個(gè)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(gè)孔的加料時(shí)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?；谶@些控制參數(shù)，整個(gè)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(guò)使用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（MQTT）等通信協(xié)議，該系統(tǒng)可聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)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(shuō)按需設(shè)計(jì)、啟動(dòng)、暫停、修改和停止試驗(yàn)。

（來(lái)源：Scientific Reports）

當(dāng)研究人員測(cè)量基于Autoculture系統(tǒng)培養(yǎng)的類器官時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)自動(dòng)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(cè)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(wèn)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(gè)重要的平臺(tái)。這項(xiàng)研究將計(jì)算應(yīng)用于生命科學(xué)，進(jìn)一步推動(dòng)了濕試驗(yàn)自動(dòng)化。

審核編輯：劉清