灌流式、多參數

類器官灌流培養和代謝監測系統—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和代謝監測系統—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，香港，澳門，中國臺灣以及新加坡的業務，主要業務為灌流式、多參數、實時代謝監測細胞/組織/類器官培養和代謝監測儀—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境中攝取營養物質，消化吸收后排放出降解物或雜質。大多數碳水化合物，例如葡萄糖，都是細胞的營養物質。在有氧條件下，葡萄糖被細胞攝取后在胞漿內轉變成丙酮酸，然后進入三羧酸循環代謝，最終變成二氧化碳并產生能量；在缺氧條件下，葡萄糖在細胞內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，酸性的代謝產物也相應增加，反之亦然。此外，外界環境因素對貼壁細胞的作用經常影響到細胞的粘附和融合度，而細胞的粘附狀態是與細胞骨架的組織性和膜的完整性相關的，如果受到環境因素干擾，細胞則會改變其粘附方式，可能變圓或脫離基底。因此，監測這些參數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和代謝行為。

德國cellasys公司生產的灌流式、多參數、實時監測的類器官灌流培養和代謝監測系統—IMOLA，是一種基于生物芯片的微生理參數系統，可以對活細胞/組織/類器官進行連續灌流式培養，搭配自動化微流泵系統進行換液或者加藥，可以實現類器官的長時間培養，同時還可以進行代謝學和形態學參數的實時監測，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和再生效應。通過生物芯片技術，可以培養大尺寸的組織器官（1cm大小）或者transwell小室培養的組織，以及多器官串聯共培養。實時監測活細胞/組織/類器官的多個參數的變化，包括細胞耗氧率（pO2）、細胞產酸率（EAR，pH）、 細胞層的跨膜電阻值（impedance，TEER，[Z]）和培養基的溫度（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，可以連續長時間培養和監測6種不同的細胞、組織、類器官。

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

• 獨特的微流泵系統可實現細胞培養溶液的自動更新，自動加藥或誘導因子，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、不破壞細胞結構、不需人員監控、全自動檢測采集數據，并且分析導出曲線。

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

• 芯片電極監測，而不是通用的光學檢測技術，其檢測靈敏度更高，檢測時間更長，避免培養基顏色變化帶來的干擾。

• 封閉的體系設計保證了整個微流控灌流過程和培養過程的自動化和無菌環境。

工作原理

      微生理測量法監測活細胞、組織、類器官的代謝活動。除了監測細胞呼吸和細胞外酸化，細胞粘附和形態參數同樣提供了很多關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，確保了高靈敏度和穩定性，并且該方法是無需標記，并實時連續提供多個參數的數據。使用DALiA客戶端3.1應用程序，可以對測量過程進行編程并記錄數據。

IMOLA技術可以分析由自動化灌流系統之中的生物芯片所獲取的代謝數據，數據來源于用新鮮的細胞培養基或培養基的成分。

細胞類型:

     針對所有類型的培養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化培養效果；

     懸浮細胞、貼壁細胞、球體、Transwell細胞培養小室；

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

應用案例

1. 毒理動力學（細胞/組織/類器官）

監測培養的活細胞的活力是闡明化學物質的毒理動力學效應的關鍵。

• 是分析化學的重要試劑，可作為消毒劑和防腐劑。

• 通過3T3細胞的細胞產酸率（EAR，pH）來檢測的毒性作用。

• 被去除后，細胞恢復了正常的代謝指標，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%十二烷基硫酸鈉溶液(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，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硫酸鈉溶液對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（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. 環境監測（細胞/組織/類器官）

以藻類的代謝活性為指標來進行水質監測。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。細胞類型：chlorella kesslerialgae小球藻，懸浮細胞。

4. 醫學研究（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/類器官的代謝學影響。

• 胰島，特別是產生胰島素的beta細胞，可以在不同的營養供應條件下表現出不同的代謝活性。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出明顯區別，反應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膠質瘤。

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

• 細胞類型：MCF-7人乳腺癌細胞

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

Skin-on-a-Chip，Genes, 2018, 9, 114

• 作為人體最大的器官，皮膚代表著人體內部和外部環境之間的結構學屏障，將體內器官與毒素、病原體隔離開來，并保護內部器官免受紫外線輻射。除了屏障功能，人體皮膚還執行人體的幾個基本功能，如熱調節、感覺和排泄。皮膚是人體抵御外部環境的影響的第一防護罩，新的化學物質的研究，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，人們開發了3D皮膚類器官模型來再現體內結構，培養出三維重建人表皮模型（reconstructed human epidermis，RhE），用于在制藥、化妝品和環境研究中評估皮膚暴露于外源性物質后的毒性反應。

• 通過IMOLA分析儀監測皮膚類器官模型的細胞產酸率（EAR，pH）和 細胞層的跨膜電阻值（impedance，TEER，[Z]）。通過連續監測RhE細胞模型超過48小時的TEER和EAR數據表明， IMOLA分析儀可以長時間穩定培養芯片上的皮膚類器官，并監測整個代謝過程。

6. 類器官監測 芯片上的類器官：在Transwell上監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測藥物對于人體各個方面的效應。從結腸（大腸）癌中提取的Caco-2細胞廣泛應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性有限，目前只能預測跨細胞（細胞內途徑）滲透過程。此外，貼壁單層Caco-2缺乏細胞-細胞和細胞-細胞外基質的相互作用，不能模擬人小腸的多層復雜結構。

• 為了克服這種生理相關性的不足，科學家開發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。

• 通過三通道IMOLA分析儀，監測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基。在電阻值測量中，培養小室的頂部分別注入培養基，PBS和2.0% SDS。該系統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. 多類器官串聯監測 生物芯片上的多器官串聯—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解決方案。它利用生物芯片BioChip-C直接監測活細胞組織類器官的代謝學參數和活細胞形態變化（生物阻抗）。樣本無需標記，可以并行或串聯，連續且實時進行數周監測。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。

• 該系統優勢包括：多參數（代謝學和形態學測定）、長期連續、無需標記、高靈敏度以及優化的灌流系統（可進行實時連續換液，加藥，去藥等過程）。 該系統的模塊化結構設計，可通過灌流系統實現多器的官串聯培養監測。模塊1培養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化為活性藥物后，被灌流系統傳送到敏感反應的效應細胞類器官（模塊2）中，實時監測其效果。為了得到更準確的結果，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測，并在23小時后向儲液瓶中加入了SDS。結果顯示模塊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之間的連接導致的延遲。該系統的優勢在于兩種不同細胞或類器官可以獨立監測，這是混合共培養無法實現的。若模塊1中細胞代謝活性非常低，則可能無法在介質通過時積累足夠的活性物質。對于這種特殊情況，可以使用由蠕動泵來控制和調節液體流動的速度和體積。