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Kirkstall Quasi Vivo? 器官芯片Kirkstall Quasi Vivo® 類器官串聯(lián)芯片共培養(yǎng)系統(tǒng)體內模型存在許多局限性:較高的實驗成本、有限的吞吐量、倫理問題和遺傳背景的差異。更重要的是,與人類相比,它們在藥物效應和/或疾病表型方面表現(xiàn)出巨大的生理差異,這解釋了臨床試驗經常失敗的原因。
(一)儀器設備—功能應用
Kirkstall Ltd.專利技術的Quasi Vivo®器官芯片微生理系統(tǒng)又稱為微流體“芯片上器官”培養(yǎng)系統(tǒng),具有相互連接的細胞培養(yǎng)單元,為類器官生長提供更具生理相關性的體內微環(huán)境。
通過提供一種近生理的體外模型,模擬細胞微環(huán)境,具有更完整的結構和功能,解決動物與人類之間的種屬差異,且可在體外模擬多種器官特異性疾病狀態(tài),反映藥物在體內的動態(tài)變化規(guī)律和人體器官對藥物刺激的真實響應,捕捉復雜的生理學反應,并滿足高通量的要求。它是一個多室流動系統(tǒng),為類器官培養(yǎng)提供了一個緊湊、易于使用的解決方案,包括2D、3D、屏障,或多器官。在疾病模型,藥物篩選和毒性測試,再生醫(yī)學和組織工程,發(fā)育生物學研究,感染與免疫研究,個性化醫(yī)學,癌癥研究等領域被廣泛應用。(二)儀器設備—性能特點Quasi Vivo® 作為一種先進的器官芯片培養(yǎng)系統(tǒng),專門設計用于解決學術和工業(yè)研究人員在開展體外和體內研究時遇到的主要問題,具有下列性能優(yōu)勢:
1.功能延展性強
可選擇氣液界面、液液界面、支架和流動方案的多樣化培養(yǎng)方式
允許獨立、可控的空氣、氣體或液體層流流向頂端和基底外側
滿足多器官/多細胞共培養(yǎng),細胞間的信號傳遞等實驗要求。加速類器官細胞分化和成熟,提高細胞活力,適合長期培養(yǎng)
2.成像友好
配備了光學窗口在頂部或底部表面,便于理想的實時高分辨率成像
3.易于獲取樣本
直接收集樣本和獲取組織或液體樣本
4.模擬生物力學和濃度梯度
嚴格控制多個變量,可以模擬生理特征,如血液循環(huán),組織間液流動態(tài)等,為細胞提供生物力學信號;可以實現(xiàn)免疫細胞共培養(yǎng)以及血管化等復雜模型構建;用于研究多種生理過程,如細胞遷移、分化、免疫反應以及癌癥的轉移等
5.便攜和易于操作
緊湊型模塊化腔室結構,具有更高人體生理相關性
占地面積小,節(jié)省空間,可兼容標準實驗室的孵化器(三)產品應用案例及發(fā)表文獻1) Berger E, Magliaro C, Paczia N, Monzel AS, Antony P, Linster CL, Bolognin S, Ahluwalia A, Schamborn JC. Millifluidic culture improves human midbrain organoid vitality and differentiation.
在本研究中,作者建立了一個在Kirkstall Quasi Vivo®器官芯片微流體條件下穩(wěn)定的腦類器官培養(yǎng)物,并將其與使用計算流體動力學(CFD)和常規(guī)實驗方法中的連續(xù)軌道振蕩方法進行了比較。CFD分析是為了確定在兩種實驗裝置中計算出的氧氣量的差異是否可以用來解釋在兩種條件下培養(yǎng)的類器官中觀察到的任何差異。這一比較顯示了培養(yǎng)質量的改善,包括一個減少的“死核心”,并被模型證實,并增加了多巴胺能分化。
2) Ramachandran S, Schirmer K, Münst B, Heinz S, Ghafoory S, Wölfl S, Simon-Keller K, Marx A, Øie C, Ebert M, Walles H, Braspenning J and Breitkopf-Heinlein K (2015). In Vitro Generation of Functional Liver Organoid-Like Structures Using Adult Human Cells.
在本研究中,作者使用upcyte®人肝細胞在體外生成肝類器官,在Kirkstall Quasi Vivo®器官芯片中進一步培養(yǎng)10天后,這些肝類器官表現(xiàn)出典型的肝實質功能特征,包括細胞色素P450、CYP3A4、CYP2B6和CYP2C9的活性,以及一些標記基因和其他酶的mRNA表達。
3)Tayebeh Azimi, Marilena Loizidou & Miriam V. Dwek.Cancer cells grown in 3D under fluid flow exhibit an aggressive phenotype and reduced responsiveness to the anti-cancer treatment doxorubicin.
腫瘤微環(huán)境(TME)作為癌細胞行為調節(jié)劑的重要性已被公認,并導致了3D體外癌癥模型的發(fā)展。癌癥的3D實驗室體外模型旨在概括腫瘤微環(huán)境的生化和生物物理特征,并旨在以生理相關的方式使研究癌癥和新的治療方式成為可能。本文作者研究了乳腺癌細胞在2D、3D和3D微流體條件下,并對比了不同培養(yǎng)條件下的乳腺癌細胞的凋亡、增殖和缺氧相關基因的細胞活力和表達水平。
在該實驗過程中,癌細胞被制備成一個密集的3D團塊,創(chuàng)造了一個在Kirkstall Quasi Vivo®器官芯片流體流動條件下的腫瘤類器官,將腫瘤類器官暴露于流體和壓力的生理條件下,會導致其生長、形態(tài)和對化療挑戰(zhàn)的敏感性的變化。該模型系統(tǒng)為組織密度和流體流動的作用提供了關鍵證據,并為使用3D模型作為癌癥藥物測試平臺的研究人員提供參考。
4)Geddes, L., Themistou, E., Burrows, J. F., Buchanan, F. J., & Carson, L. (2021). Evaluation of the In Vitro Cytotoxicity and Modulation of the Inflammatory Response by the Bioresorbable Polymers Poly(D,L-lactide-coglycolide) and Poly(L-lactide-co-glycolide).
醫(yī)療設備必須進行一系列的測試,以確保其在臨床使用中是安全的,這些測試由國際標準化組織(ISO)規(guī)定。每個醫(yī)療設備都需要進行細胞毒性分析,這通常是體外生物相容性測試的第一步。這些測試提供了一種高效的方法來確定一種物質或一種物質對活細胞的細胞毒性,然而,它們的使用有限,因為它們不能用于確定細胞死亡的原因。在生物材料開發(fā)的早期階段測試體外免疫反應目前還沒有納入標準程序。深入了解體外細胞對生物材料的反應將有助于早期檢測和預測潛在的不良反應。
為了復制體內環(huán)境和增加生理相關性,本文作者采用了Kirkstall Quasi Vivo®“芯片上的器官”流動培養(yǎng)系統(tǒng),用于測試聚合物樣品。
5)Susanne Reinhold, Christian Herr, Yiwen Yao , Mehdi Pourrostami, Felix Ritzmann. Modeling of lung-liver interaction during infection in a human microfluidic organ-on-a-chip
肺炎或COVID-19等呼吸道感染在世界范圍內造成高死亡率和發(fā)病率。器官芯片技術在過去幾年中發(fā)展起來,以建立基于人類的疾病模型,研究基本的疾病機制,并為加速藥物開發(fā)提供工具。本研究的目的是建立一個肺-肝微流控系統(tǒng)來研究感染過程中兩個器官模塊的相互作用。
作者利用原代人支氣管(HBECs)或肺泡上皮細胞和人肝癌Huh-7細胞,通過Kirkstall Quasi Vivo®器官芯片建立了雙器官(肺/肝)微流控系統(tǒng),開展共培養(yǎng)/刺激試驗。將不可分型流感嗜血桿菌(NTHi)和銅綠假單胞菌(PAO1)應用于肺模塊。通過dot-blot分析篩選分泌的介質并進行定量。通過mRNA測序,分析肺上皮細菌刺激對肝細胞轉錄組的影響。
6)Lekha Shah , Valentina Breschi, Annalisa Tirella.A data-informed approach for engineering in-vitro experiment design to decipher key features of invasive breast cancer cell phenotypes
乳腺癌是女性癌癥相關死亡的主要原因之一,全球每年約有230萬例新發(fā)病例和66萬例死亡。大多數(shù)死亡與轉移性疾病或復發(fā)有關。乳腺癌的復發(fā)風險和預后與多種因素相關,包括分子亞型、腫瘤分級、腫瘤大小、患者的年齡和絕經狀態(tài)等。目前的預后測試和治療選擇主要基于這些因素,但缺乏對腫瘤進展和轉移的動態(tài)變化的了解。因此,研究腫瘤微環(huán)境(TME)對乳腺癌細胞行為的影響對于精確預后和治療選擇至關重要。
作者通過Kirkstall Quasi Vivo®器官芯片構建微生理系統(tǒng)(MPS)來模擬乳腺癌的腫瘤微環(huán)境,并結合機器學習算法,特別是無監(jiān)督的k-means聚類和特征提取技術,來識別區(qū)分侵襲性和非侵襲性乳腺癌細胞表型的關鍵生物標志物。通過相關性分析,研究者們發(fā)現(xiàn)MDA-MB-231和MCF-7細胞在不同微環(huán)境條件下的細胞表型存在顯著差異。例如,MCF-7細胞中E-cadherin與pH和流體流動正相關,而MDA-MB-231細胞中E-cadherin與水凝膠的硬度正相關。通過機器學習方法,研究者們確定了區(qū)分侵襲性和非侵襲性乳腺癌細胞表型的關鍵生物標志物,包括CD44、CD44v6、Vimentin等。這些標志物在不同微環(huán)境條件下的表達差異顯著,可以作為區(qū)分細胞表型的重要指標。
7) Prof. Dr. med. Matthias P.A. Ebert.Bone Morphogenetic Protein (BMP)-9: ein hepatoprotektiver Regulator des Fibroblast Growth Factor (FGF) Signals
本文圍繞骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP-9)在非酒精性脂肪肝?。∟AFLD)中的保護機制展開,重點探討其通過調控FGF19/FGF21信號通路調節(jié)代謝的分子機制。研究團隊采用Kirkstall Quasi Vivo®串聯(lián)器官芯片 系統(tǒng)構建動態(tài)共培養(yǎng)模型,將腸道類器官與肝臟類器官(含70%肝細胞、20%肝竇內皮細胞及10%肝星狀細胞)通過多器官串聯(lián),模擬人體門靜脈循環(huán)的生理結構,精準解析BMP-9-FGF19肝-腸軸調控網絡,揭示跨組織信號傳遞機制。
作者在本文中將Kirkstall 串聯(lián)器官芯片動態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)參數(shù)設置為:培養(yǎng)基以300 µl/min流速循環(huán),模擬血液流動的剪切力;37°C恒溫、5% CO?環(huán)境,持續(xù)48小時實驗周期;使用含脂肪酸混合液(棕櫚酸、油酸、亞油酸各1/3)的專用灌注培養(yǎng)基,動態(tài)研究代謝應激下的分子響應。
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三維生理微環(huán)境模擬
Kirkstall 多器官串聯(lián)培養(yǎng)系統(tǒng)突破傳統(tǒng)單層培養(yǎng)限制,通過Matrigel包埋的類器官維持細胞極性及細胞間相互作用。 -
跨器官信號傳導解析:通過串聯(lián)式腔室設計,首次揭示BMP-9的肝-腸軸調控機制:
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肝源性BMP-9的遠程作用:肝臟類器官分泌的BMP-9經循環(huán)系統(tǒng)激活腸道ALK1受體,顯著上調腸道FGF19表達,較單培養(yǎng)提升3.2倍(p<0.01);
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動態(tài)交互驗證:共培養(yǎng)模型中,腸道FGF19表達量較單培養(yǎng)提升2.4倍,證實器官間旁分泌信號的重要性。
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代謝應激模型構建:系統(tǒng)成功模擬高脂微環(huán)境對類器官的影響:脂肪酸混合物刺激下,肝臟類器官的FGF21表達呈上升趨勢,而腸道LGR5干性標志物顯著下調(p<0.00001),精準反映NAFLD病理特征。
8) Gaia Lugano. Bioengineering an Optimised in vitro Model of the Outer Blood-Retinal Barrier Under Diabetic-like Conditions for the Screening of Novel Pharmacological Formulations for Diabetic Retinopathy
糖尿病引起的視網膜病變,如糖尿病視網膜病變和糖尿病性黃斑水腫,可能導致視力喪失,嚴重影響患者的生活質量。目前的治療方法主要針對疾病的中后期階段,且存在侵入性和副作用等問題。因此,開發(fā)一種能夠準確模擬外BRB在糖尿病條件下變化的體外模型,建立一種可在體外模擬糖尿病視網膜病變(Diabetic Retinopathy, DR)條件下的外血視網膜屏障(Outer Blood-Retinal Barrier, BRB)的優(yōu)化模型,對于理解疾病機制、篩選新型藥劑以及開發(fā)更有效的治療方法具有重要意義。
本文作者通過Kirkstall Quasi Vivo®串聯(lián)式動態(tài)系統(tǒng)成功構建了優(yōu)化的共培養(yǎng)模型,該模型使用人 ARPE-19 細胞系和原代人 hREC 細胞。研究發(fā)現(xiàn),糖尿病樣條件(33 mM 葡萄糖和 2% 氧氣)會對體外培養(yǎng)的細胞產生影響,引發(fā)細胞氧化應激,影響細胞密度、屏障特性及相關基因表達。藥物測試表明,二甲雙胍和雷帕霉素在一定濃度范圍內可安全用于細胞實驗,且能有效抑制 mTOR 通路,但高濃度時會誘導細胞產生氧化應激。
該動態(tài)共培養(yǎng)模型模擬脈絡膜血管的生理環(huán)境,應用 100 μL/min 和 200 μL/min 的流速,研究剪切應力對內皮細胞行為的影響。實驗時,將 hREC 細胞接種在器官芯片的通道下側,培養(yǎng)液循環(huán)流動,產生層流。研究人員通過該系統(tǒng)觀察細胞在動態(tài)條件下的行為,如細胞是否會重新排列細胞骨架以適應流動方向,具體通過測量細胞核的取向來評估細胞的取向變化。此外,該系統(tǒng)還可用于研究藥物的細胞毒性和屏障通透性等,為構建更貼近體內真實情況的病理模型提供了有力支持,有助于深入探究糖尿病視網膜病變的發(fā)病機制及藥物療效評估。
9) Ioannis Angelopoulos , Konstantinos Ioannidis , Konstantina Gr. Lyroni et al. A 3D SVZonChip Model for In Vitro Mimicry of the Subventricular Zone Neural Stem Cell Niche神經干細胞(NSCs)是神經系統(tǒng)的關鍵組成部分,主要位于側腦室下區(qū)(SVZ)和海馬齒狀回的下顆粒區(qū)(SGZ)。SVZ神經干細胞微環(huán)境(NSCN)是一個特殊的微環(huán)境,其中生長因子和細胞外基質(ECM)成分共同調節(jié)NSC的自我更新和分化。由于動物研究的固有挑戰(zhàn)以及組織的動態(tài)特性,對SVZ的理解仍然不完整。
在本文中,研究人員利用 Kirkstall Quasi Vivo®器官芯片微流控系統(tǒng)構建了一個動態(tài)的3D類器官模型SVZonChip,以減少對動物模型的依賴。通過結合區(qū)域特異性的去細胞化ECM和動態(tài)培養(yǎng)條件,為研究SVZ相關疾?。ㄈ缦忍煨阅X積水、中風和中風后神經發(fā)生)提供了一個可持續(xù)且可復制的工具。此模型有望減少動物模型的使用,促進轉化研究,并推動個性化醫(yī)學的發(fā)展。通過整合患者特異性細胞,如誘導多能干細胞(iPSCs)或基因修飾細胞系,該平臺可用于研究特定疾病中NSCN的改變,探索機械力(如CSF流動產生的剪切應力)如何影響細胞行為、譜系承諾和再生能力,為新型治療策略的開發(fā)提供依據。(四)產品用戶概況全球使用Kirkstall Quasi Vivo®器官芯片微生理系統(tǒng)的學術及研究機構已超過100+個,遍布美國、英國、法國、瑞典、奧地利、意大利、荷蘭、瑞士、日本等。目前器官芯片微生理系統(tǒng)已成功用于以下類器官模型的構建:
(五)品牌制造商簡介Kirkstall Ltd.成立于 2006 年,是 Braveheart Investment Group plc 的子公司,總部位于英國。Kirkstall開發(fā)了一種創(chuàng)新的微生理系統(tǒng)的器官芯片模型Quasi Vivo®。作為器官芯片技術的領導者,Kirkstall已經建立了牛津大學生物醫(yī)學工程研究所等著名的大學實驗室的龐大用戶群,產品在全球范圍內享有盛譽。
北京基爾比生物科技有限公司是Kirkstall ltd.授權在中國的唯一和獨家總代理商,全面負責Kirkstall公司旗下所有產品在中國的銷售,市場推廣和技術支持等事宜。
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