搅拌改善供氧,剪切力也会损伤精细结构

天普大学(Temple University)与美国国立眼科研究所(National Eye Institute)团队在 2023 年发表于 International Journal of Molecular Sciences 的综述,比较了搅拌式、微流控、旋转壁式和电刺激 4 类生物反应器,分析培养环境如何影响类器官的存活、分化和成熟。

搅拌式系统主要改善培养液混合与物质交换。随着三维组织增大,中心细胞获得氧和营养更困难,静态培养可能出现局部坏死;搅拌有机会改善这一问题。

但剪切力也可能损伤精细结构。综述介绍的视网膜类器官研究中,搅拌有助于组织分层和部分光感受器发育,却伴随较脆弱的外节样结构减少。对药物模型而言,存活细胞增多与某一特定功能结构保存良好,需要分别核对。

搅拌、微流控、旋转壁式及电刺激生物反应器的基本形式

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搅拌、微流控、旋转壁式及电刺激生物反应器的基本形式(Joseph P. Licata et al. / International Journal of Molecular Sciences, 2023, Figure 1;CC BY 4.0)

微流控提高局部控制,也增加长期运行难度

微流控反应器的优势,是能够控制局部流动、营养供应、梯度与不同组织之间的关系。文章以肝类器官和视网膜芯片等研究为例,说明灌流可减少部分培养条件下的细胞死亡,也可改善特定组织之间的接触环境。

这类系统同时增加了材料、接口、运行与成像方面的要求。器件吸附、材料相容性和长期暴露后的变化,都可能影响细胞及实际处理条件;批量实验还需要保持装置之间的一致性。

如果反复取样需要拆开装置,组织本身也可能受到干扰。因此,能否在培养过程中持续观察、测量并保留稳定环境,与是否具有复杂流道同样重要。

旋转壁式系统需要兼顾低剪切和组织差异

旋转壁式培养通过组织与液体的相对运动,尝试在较低剪切条件下改善混合。综述介绍了利用这类系统扩增细胞、生成肺组织模型及促进视网膜类器官发育的工作。

气泡会改变旋转壁式系统的局部流动,类器官大小与密度不同也会影响其运动。对于高度异质的培养物,很难用同一运行条件让全部组织处在相同环境。

旋转壁式系统还可形成模拟微重力条件。综述指出,这可能改变心肌钙处理和部分细胞的分化,因此需要用对照区分混合、剪切力与重力相关效应。

电刺激针对功能成熟,组合系统仍待验证

电刺激系统与前三类有所不同:它主要提供电活动相关刺激,并不一定改善培养液混合。文章讨论的心脏模型在刺激后出现部分结构、电活动或收缩特征改善,神经模型也有神经突与相关标志变化。

作者提出,未来可将流体控制、电刺激和电活动监测结合。综述认为,专为球状类器官设计、能够提供多种刺激的组合系统仍然较少,属于后续研发方向。

面向药物发现,作者强调模型需要保留与研究问题相关的组织功能,并对实际反应进行验证。供者差异、培养批次及分化状态都会影响类器官的一致性,也是反应器改进需要处理的问题。

来源与延伸阅读

  1. Bioreactor Technologies for Enhanced Organoid Culture. International Journal of Molecular Sciences. 2023. doi:10.3390/ijms241411427 ↗