3 类培养区设计带来不同的组织控制方式

2022 年,法国 NETRI 与 Sup’Biotech 等机构研究人员在 Pharmaceutics 比较脑类器官芯片。文章将重复性、供养、组织成熟和检测安排放在药物研发用途下讨论,并把设备概括为培养区与通道、微柱阵列、气液界面 3 类。

通道型设备可用泵持续更新培养液,也可通过摇动产生重力驱动的往复流。综述援引的研究显示,改善流动和基质条件有助于供氧、存活及成熟;作者同时指出,泵、组织装载和多步组装会影响使用便利性,部分装置也无法单独培养每个类器官。

微柱阵列让细胞在设备内形成并维持类器官,减少人工转移。气液界面设计则改善组织与氧的接触,并限制生长尺寸。这些设计分别改变组织转移、供氧和生长空间;用于药物评价时,还需检查细胞组成、结构和功能的一致性。

综述比较的 3 类脑类器官芯片结构:培养区与通道、微柱阵列、气液界面。

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综述比较的 3 类脑类器官芯片结构:培养区与通道、微柱阵列、气液界面。(Héloïse Castiglione / Pharmaceutics, 2022, Figure 2;CC BY 4.0)

空间分隔与培养容量要结合给药问题判断

微柱之间虽可形成多个组织,若培养液没有相互分隔,测得的代谢物就难以归到单个类器官。作者把这一点列为独立药物响应研究的限制,并指出阵列内流动还需进一步表征。

例如,作者援引微柱阵列皮层类器官的丙戊酸(valproic acid,VPA)暴露研究,处理后神经祖细胞增多、神经元分化受抑,前脑区域化也发生改变。该实例关注发育神经毒性,说明检测计划需要围绕具体药物问题确定。

综述提到,一个兼容 6 孔板格式的气液界面系统可同时培养最多 169 个类器官,并减少组织融合。169 描述同时培养的组织数;独立药物条件仍取决于培养液如何分隔。该系统按直径比较尺寸一致性,作者也提醒三维体积能提供不同的信息。

药物评价还涉及装置本身。微流控设备需有稳定可重复的结构,所用材料对某些小分子的吸收也应纳入设计。作者建议同时控制细胞来源、初始状态及未定义基质成分,使设备标准化与模型标准化相互衔接。

取出、切片和芯片内检测适合不同任务

表 3 显示,多项平台需要取出类器官,再切片进行免疫染色;这种安排适合终点组织表征,却不利于在同一组织上连续随访。综述中只有 2 项研究直接在设备内完成免疫标记,透明材料和光学性质因此成为检测设计的一部分。

RNA 测序能够提供分子信息,但提取或解离会消耗样本,并可能失去原空间关系。作者提出,可安排不同时间点终止的平行组织用于破坏性检测,再配合能够保留组织的连续测量。两类数据需要按取样方式分别解释。

培养液可用于测量存活、应激或代谢相关信号。综述援引了葡萄糖和乳酸检测,也单列葡萄糖浓度模拟;实测与计算各有来源。微流控体系的培养液体积很小,取样和检测重复性仍需专门检查。

电活动可用于给药前后比较,深层记录仍待改进

膜片钳、钙成像和微电极阵列(microelectrode array,MEA)各有时间、空间及网络信息的取舍。二维 MEA 主要记录与电极接触的组织表面,切片虽能让内部细胞接近检测面,也会改变原组织完整性。作者把稳定获取深层活动列为后续问题。

MEA 可在同一类器官给药前后记录电活动,适合观察药物造成的功能变化。将微流控与三维 MEA 结合以进行长期、较高通量记录,在本文中仍是发展方向。

类似地,把脑类器官与血脑屏障模型连接,可望同时研究药物通透、分布与神经反应,但综述将其列为后续组合方向。作者认为,扩大应用仍需标准化表征、可重复结果及对人体反应预测能力的实证,这些证据需要在明确的药物应用中积累。

来源与延伸阅读

  1. Human Brain Organoids-on-Chip: Advances, Challenges, and Perspectives for Preclinical Applications. Pharmaceutics. 2022. doi:10.3390/pharmaceutics14112301 ↗