灌流式、多參數(shù)

類器官灌流培養(yǎng)和代謝監(jiān)測系統(tǒng)—IMOLA

北京佰司特科技有限責任公司正式簽約德國cellasys公司的類器官灌流培養(yǎng)和代謝監(jiān)測系統(tǒng)—IMOLA，與德國cellasys一起在中國成立cellasys China辦公室，負責德國cellasys公司在中國大陸地區(qū)，香港，澳門，中國臺灣以及新加坡的業(yè)務(wù)，主要業(yè)務(wù)為灌流式、多參數(shù)、實時代謝監(jiān)測細胞/組織/類器官培養(yǎng)和代謝監(jiān)測儀—IMOLA的市場推廣，客戶拜訪，宣傳講座，路演DEMO，銷售定價，投標簽約，進出口以及安裝售后等所有事宜。

細胞代謝主要是指細胞從環(huán)境中攝取營養(yǎng)物質(zhì)，消化吸收后排放出降解物或雜質(zhì)。大多數(shù)碳水化合物，例如葡萄糖，都是細胞的營養(yǎng)物質(zhì)。在有氧條件下，葡萄糖被細胞攝取后在胞漿內(nèi)轉(zhuǎn)變成丙酮酸，然后進入三羧酸循環(huán)代謝，最終變成二氧化碳并產(chǎn)生能量；在缺氧條件下，葡萄糖在細胞內(nèi)代謝為乳酸以提供能量。總體而言，細胞代謝增強時，葡萄糖的消耗增加，酸性的代謝產(chǎn)物也相應(yīng)增加，反之亦然。此外，外界環(huán)境因素對貼壁細胞的作用經(jīng)常影響到細胞的粘附和融合度，而細胞的粘附狀態(tài)是與細胞骨架的組織性和膜的完整性相關(guān)的，如果受到環(huán)境因素干擾，細胞則會改變其粘附方式，可能變圓或脫離基底。因此，監(jiān)測這些參數(shù)就能很好的了解細胞、組織、類器官生長過程中的細胞生理狀態(tài)和代謝行為。

德國cellasys公司生產(chǎn)的灌流式、多參數(shù)、實時監(jiān)測的類器官灌流培養(yǎng)和代謝監(jiān)測系統(tǒng)—IMOLA，是一種基于生物芯片的微生理參數(shù)系統(tǒng)，可以對活細胞/組織/類器官進行連續(xù)灌流式培養(yǎng)，搭配自動化微流泵系統(tǒng)進行換液或者加藥，可以實現(xiàn)類器官的長時間培養(yǎng)，同時還可以進行代謝學(xué)和形態(tài)學(xué)參數(shù)的實時監(jiān)測，研究藥物對活細胞/組織/類器官的影響以及移除藥物后的恢復(fù)和再生效應(yīng)。通過生物芯片技術(shù)，可以培養(yǎng)大尺寸的組織器官（1cm大小）或者transwell小室培養(yǎng)的組織，以及多器官串聯(lián)共培養(yǎng)。實時監(jiān)測活細胞/組織/類器官的多個參數(shù)的變化，包括細胞耗氧率（pO2）、細胞產(chǎn)酸率（EAR，pH）、 細胞層的跨膜電阻值（impedance，TEER，[Z]）和培養(yǎng)基的溫度（Temperature）。

• 6個獨立的模塊可以單獨控制每一個樣品的溶液，保證每個通道的獨立性，可以連續(xù)長時間培養(yǎng)和監(jiān)測6種不同的細胞、組織、類器官。

• 微流控系統(tǒng)保證換液次數(shù)及頻率（1-4分鐘換液一次），始終保持培養(yǎng)環(huán)境新鮮，O2充足，不會累積代謝廢物，不會影響細胞/組織/器官的生長，可以長時間培養(yǎng)檢測細胞、組織、類器官。

• 獨特的微流泵系統(tǒng)可實現(xiàn)細胞培養(yǎng)溶液的自動更新，自動加藥或誘導(dǎo)因子，確保細胞分化為類器官。

• 無需標記物、非入侵式、不用額外的試劑、不接觸細胞、不破壞細胞結(jié)構(gòu)、不需人員監(jiān)控、全自動檢測采集數(shù)據(jù)，并且分析導(dǎo)出曲線。

• 可以研究多次加藥后細胞耐受，不同藥物的疊加效應(yīng)，加藥后的細胞和類器官的再生恢復(fù)效應(yīng)，以及多個類器官的串聯(lián)共培養(yǎng)。

• 芯片電極監(jiān)測，而不是通用的光學(xué)檢測技術(shù)，其檢測靈敏度更高，檢測時間更長，避免培養(yǎng)基顏色變化帶來的干擾。

• 封閉的體系設(shè)計保證了整個微流控灌流過程和培養(yǎng)過程的自動化和無菌環(huán)境。

工作原理

      微生理測量法監(jiān)測活細胞、組織、類器官的代謝活動。除了監(jiān)測細胞呼吸和細胞外酸化，細胞粘附和形態(tài)參數(shù)同樣提供了很多關(guān)于生命活動的有價值的信息。我們的生物芯片集成了微型傳感器來評估這些參數(shù)，確保了高靈敏度和穩(wěn)定性，并且該方法是無需標記，并實時連續(xù)提供多個參數(shù)的數(shù)據(jù)。使用DALiA客戶端3.1應(yīng)用程序，可以對測量過程進行編程并記錄數(shù)據(jù)。

IMOLA技術(shù)可以分析由自動化灌流系統(tǒng)之中的生物芯片所獲取的代謝數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于用新鮮的細胞培養(yǎng)基或培養(yǎng)基的成分。

細胞類型:

     針對所有類型的培養(yǎng)物提供不同的合適的配件；

     對于特殊實驗還可以通過對生物芯片的涂層來優(yōu)化培養(yǎng)效果；

     懸浮細胞、貼壁細胞、球體、Transwell細胞培養(yǎng)小室；

     大尺寸的組織器官（1cm大小）或者transwell小室培養(yǎng)的組織、以及商業(yè)化的組織和器官培養(yǎng)物；

應(yīng)用案例

1. 毒理動力學(xué)（細胞/組織/類器官）

監(jiān)測培養(yǎng)的活細胞的活力是闡明化學(xué)物質(zhì)的毒理動力學(xué)效應(yīng)的關(guān)鍵。

• 是分析化學(xué)的重要試劑，可作為消毒劑和防腐劑。

• 通過3T3細胞的細胞產(chǎn)酸率（EAR，pH）來檢測的毒性作用。

• 被去除后，細胞恢復(fù)了正常的代謝指標，說明該過程是可逆的。

• 細胞類型： 3T3小鼠胚胎成纖維細胞，貼壁細胞 

10%十二烷基*溶液(7次稀釋)對成纖維細胞的毒性作用可以通過細胞阻抗(Z)來解釋。細胞類型：L929成纖維細胞，貼壁細胞。

有了自動灌流系統(tǒng)，在活體類似的情況下，可以映射到體外實驗。細胞外酸化率用于評估不同濃度十二烷基*溶液對HepG2肝球蛋白的毒性。細胞類型：Hep-G2肝癌球體細胞。

表皮(RhE)是在保持臨界氣液界面的形成的，實時測量跨表皮細胞層電阻（TEER）。細胞類型：人類表皮細胞（RhE）， transwell細胞小室。

2. 藥物開發(fā)（細胞/組織/類器官）

可以研究新藥對細胞/組織/類器官代謝和生理形態(tài)的影響。測定了抗腫瘤藥物牛蒡根素對PANC-1細胞系的影響，記錄了實時生物電阻的變化。細胞類型：PANC-1人胰腺癌，貼壁細胞。

3. 環(huán)境監(jiān)測（細胞/組織/類器官）

以藻類的代謝活性為指標來進行水質(zhì)監(jiān)測。本例顯示了克氏小球藻在被苯嗪草酮污染后光合活性的降低，去除毒素后光合活性的恢復(fù)。細胞類型：chlorella kesslerialgae小球藻，懸浮細胞。

4. 醫(yī)學(xué)研究（細胞/組織/類器官）

為了在治療前評估藥物的有效性，可以測試藥物對病人的細胞/組織/類器官的代謝學(xué)影響。

• 胰島，特別是產(chǎn)生胰島素的beta細胞，可以在不同的營養(yǎng)供應(yīng)條件下表現(xiàn)出不同的代謝活性。在該實驗中，當暴露于相當于生理上低血糖和高血糖水平的葡萄糖濃度時，可檢測到beta細胞系的代謝活動呈現(xiàn)出明顯區(qū)別，反應(yīng)了不同條件下的胰島素分泌的不同。（Gln 谷氨酰胺；Glc葡萄糖）

• 細胞類型：INS-1E，beta細胞系，貼壁細胞

Cisplatin（順鉑）是一種有效的抗癌藥物，用于治療多種實體瘤，如卵巢癌和肺癌等，并用于輔助治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤。

• Cisplatin與DNA的嘌呤堿基交聯(lián)，干擾DNA的修復(fù)機制，引起DNA損傷，激活多條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，包括ERK、p53、p73和MAPK，其中對激活凋亡影響最大，誘導(dǎo)細胞凋亡。

• 細胞類型：MCF-7人乳腺癌細胞

5. 類器官監(jiān)測 芯片上的類器官：通過自動氣液界面監(jiān)測皮膚類器官的細胞產(chǎn)酸率和跨膜電阻值

Skin-on-a-Chip，Genes, 2018, 9, 114

• 作為人體最大的器官，皮膚代表著人體內(nèi)部和外部環(huán)境之間的結(jié)構(gòu)學(xué)屏障，將體內(nèi)器官與毒素、病原體隔離開來，并保護內(nèi)部器官免受紫外線輻射。除了屏障功能，人體皮膚還執(zhí)行人體的幾個基本功能，如熱調(diào)節(jié)、感覺和排泄。皮膚是人體抵御外部環(huán)境的影響的第一防護罩，新的化學(xué)物質(zhì)的研究，如藥物和毒素，分析和評估其對皮膚完整性的影響就是不可少的。因此，人們開發(fā)了3D皮膚類器官模型來再現(xiàn)體內(nèi)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)出三維重建人表皮模型（reconstructed human epidermis，RhE），用于在制藥、化妝品和環(huán)境研究中評估皮膚暴露于外源性物質(zhì)后的毒性反應(yīng)。

• 通過IMOLA分析儀監(jiān)測皮膚類器官模型的細胞產(chǎn)酸率（EAR，pH）和 細胞層的跨膜電阻值（impedance，TEER，[Z]）。通過連續(xù)監(jiān)測RhE細胞模型超過48小時的TEER和EAR數(shù)據(jù)表明， IMOLA分析儀可以長時間穩(wěn)定培養(yǎng)芯片上的皮膚類器官，并監(jiān)測整個代謝過程。

6. 類器官監(jiān)測 芯片上的類器官：在Transwell上監(jiān)測人體小腸類器官的跨膜電阻值

Tissue-on-a-Chip, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, August 2020

• 藥物毒性的研究之中，重要的一點就是要腸道的吸收。臨床前體內(nèi)評估通常依靠小鼠或大鼠模型。然而動物模型不能準確地預(yù)測藥物對于人體各個方面的效應(yīng)。從結(jié)腸（大腸）癌中提取的Caco-2細胞廣泛應(yīng)用于體外藥物吸收和毒性評估的。但是，細胞系和小腸組織的相關(guān)性有限，目前只能預(yù)測跨細胞（細胞內(nèi)途徑）滲透過程。此外，貼壁單層Caco-2缺乏細胞-細胞和細胞-細胞外基質(zhì)的相互作用，不能模擬人小腸的多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

• 為了克服這種生理相關(guān)性的不足，科學(xué)家開發(fā)了新的三維重建人體組織模型，在整合的氣液界面（ALI）上培養(yǎng)三維小腸類器官—EpiIntestinal-FT。這個基于人體細胞的3D類器官整合了腸上皮細胞、Paneth細胞、M細胞、簇細胞和腸道干細胞以及人腸道成纖維細胞，可以用來表征腸道功能，包括屏障、代謝、炎癥和毒性反應(yīng)。

• 通過三通道IMOLA分析儀，監(jiān)測EpiIntestinal-FT的細胞層的跨膜電阻值（impedance，TEER，[Z]）。整個測量過程是非侵入性的、實時的，并且周期性自動更新培養(yǎng)基。在電阻值測量中，培養(yǎng)小室的頂部分別注入培養(yǎng)基，PBS和2.0% SDS。該系統(tǒng)在三個通道中都有一個自動的ALI，可以一次在三個芯片上進行平行實驗。

7. 多類器官串聯(lián)監(jiān)測 生物芯片上的多器官串聯(lián)—多類器官代謝分析

Label-free monitoring of whole cell vitality, 35th Annual International Conference of the IEEE EMBS, Osaka, Japan, 3 – 7 July, 2013, 1607-1610

• IMOLA是一種用于在線分析活細胞組織類器官的系統(tǒng)解決方案。它利用生物芯片BioChip-C直接監(jiān)測活細胞組織類器官的代謝學(xué)參數(shù)和活細胞形態(tài)變化（生物阻抗）。樣本無需標記，可以并行或串聯(lián)，連續(xù)且實時進行數(shù)周監(jiān)測。使用活細胞/組織/類器官作為樣本在體外研究藥物的毒性，以評估藥物對活細胞/組織/類器官的作用和效應(yīng)。

• 該系統(tǒng)優(yōu)勢包括：多參數(shù)（代謝學(xué)和形態(tài)學(xué)測定）、長期連續(xù)、無需標記、高靈敏度以及優(yōu)化的灌流系統(tǒng)（可進行實時連續(xù)換液，加藥，去藥等過程）。 該系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可通過灌流系統(tǒng)實現(xiàn)多器的官串聯(lián)培養(yǎng)監(jiān)測。模塊1培養(yǎng)的是具有代謝活性的細胞類器官（如HepG2三維細胞球）。這些細胞將前體藥物轉(zhuǎn)化為活性藥物后，被灌流系統(tǒng)傳送到敏感反應(yīng)的效應(yīng)細胞類器官（模塊2）中，實時監(jiān)測其效果。為了得到更準確的結(jié)果，必須抑制各個傳感器單元之間的電流干擾，減少試驗的干擾，將外界的影響降到至低。

• 為確保獨立測量所有細胞電信號，我們對細胞呼吸進行了長期監(jiān)測，并在23小時后向儲液瓶中加入了SDS。結(jié)果顯示模塊2中的細胞受到影響的時間比模塊1中的細胞晚了20分鐘。這是由于泵速以及模塊1與模塊2之間的連接導(dǎo)致的延遲。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于兩種不同細胞或類器官可以獨立監(jiān)測，這是混合共培養(yǎng)無法實現(xiàn)的。若模塊1中細胞代謝活性非常低，則可能無法在介質(zhì)通過時積累足夠的活性物質(zhì)。對于這種特殊情況，可以使用由蠕動泵來控制和調(diào)節(jié)液體流動的速度和體積。