自動化高通量多器官芯片MOC工作站實驗過程和應用

自動化高通量MOC工作站—HUMIMIC® AutoLab

近年來，微生理系統(tǒng)（如類器官、器官芯片）廣泛應用于疾病研究、藥物開發(fā)、精準醫(yī)學等領域，成為各國競相研究的核心關鍵技術。

德國TissUse GmbH公司致力于建設"多器官芯片”技術平臺，是全球技術領先的多器官串聯(lián)培養(yǎng)方案的供應商。TissUse GmbH公司創(chuàng)始人，Prof. Dr. med. Uwe Marx教授是德國柏林工業(yè)大學醫(yī)學生物技術系的榮譽教授，在人體微生理研究領域開創(chuàng)性地提出了多器官芯片系統(tǒng)方案的理論，專注于人體芯片的技術開發(fā)，并將該技術轉(zhuǎn)化為制藥和化妝品行業(yè)的決策工具。他提出了人體芯片的概念，即在芯片上生成微縮的、無意識、無感官的人體等效物，即“芯片上的人體human-on-a-chip”，并創(chuàng)造性的提出了“類有機體Organismoid”的理論。

一直以來，實驗動物都是生命科學研究和生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要模型，但受限于動物的種屬差異與倫理問題，研究人員們將目光投向了更多的新興體外建模技術。在過去十年中，器官芯片、類器官等生物新技術蓬勃發(fā)展，并深刻影響了了時代發(fā)展的方向。

2022年，美國國會全票通過了FDA Modernization Act 2.0（即《美國食品藥品監(jiān)督管理局現(xiàn)代化法案2.0》，簡稱FDA現(xiàn)代化法案2.0），取消了自1938年以來始終保持的FDA批準新藥進入人體臨床試驗前必須經(jīng)過動物實驗的強制要求，并正式提出體外生理模型也可以運用在臨床前試驗中。這一舉動無疑證實了新興生物技術替代動物模型的可能性，同時也為多器官芯片等創(chuàng)新的無動物技術的快速發(fā)展鋪平了道路。

多器官芯片（Multi-Organ-on-Chip，MOC）技術在藥物篩選、疾病建模、安全評價、個性化醫(yī)療等研究領域中的靈活性、預測性與準確性已被廣泛研究與證明。MOC獲得監(jiān)管機構的接受與認可，以及行業(yè)采用前，將面臨開發(fā)并驗證安全性與有效性測試的標準化監(jiān)測方法的必經(jīng)之路。我們相信自動化將是MOC實現(xiàn)這一目標的關鍵，并將為您提供相關思路。德國TissUse公司推出的自動化高通量MOC工作站——HUMIMIC® AutoLab！

HUMIMIC AutoLab是一個小型生物研究實驗室，可以自動化平行培養(yǎng)與實時觀察多達24個多器官芯片，與HUMIMIC Chip2、Chip3、Chip4兼容。 HUMIMIC AutoLab可為您提供：
提高了設備通量與分析復雜性，同時大大減少人工操作；
更接近生理微環(huán)境的培養(yǎng)條件，標準化機械系統(tǒng)減少實驗操作產(chǎn)生的誤差，提高實驗可重復性
高質(zhì)量數(shù)據(jù)的收集、分析，以及基于人工智能的后續(xù)實驗優(yōu)化

01 實驗設計

TissUse專為HUMIMIC AutoLab開發(fā)了一款實驗設計的軟件 ——HUMIMIC LabOS，能幫助您設計個性化實驗操作流程。無論是簡單還是復雜，HUMIMIC LabOS都能為您安排液體處理過程，如培養(yǎng)基更換與給藥，以及自動顯微成像。該軟件中，用戶友好的設置界面將逐步指導您完成實驗設計過程

02 執(zhí)行操作

HUMIMICAutoLab的獨特設計——結合了芯片和液體處理平臺、顯微鏡和4°C存儲區(qū)域——使芯片能夠自動運行長達數(shù)周！整個實驗在精確操控、一致操作和生理條件下進行：
~ 無菌II級生物安全柜
~ 溫度調(diào)節(jié)：芯片的單獨培養(yǎng)（溫度范圍36~40°C）
~ 孔板、耗材與試劑的預熱
~ 穩(wěn)定持續(xù)的細胞培養(yǎng)環(huán)境
~ 采用無管式微流泵以驅(qū)動芯片內(nèi)培養(yǎng)基循環(huán)

03 評估與記錄

在實驗進行過程中，您即可獲得大量由系統(tǒng)采集、記錄的數(shù)據(jù)，并進行分析與評估。當進行終點分析時，可以像往常一樣從芯片中取出細胞、組織及類器官模型進行下游檢測。

HUMIMIC AutoLab可以通過自動記錄芯片與孔板數(shù)據(jù)為您提供支持。此外，系統(tǒng)的自動記錄功能將為您節(jié)省大量時間，所有的圖像與原始數(shù)據(jù)都將直接保存在HUMIMIC LabOS中并進行整理分類。

04 預測與優(yōu)化

我們堅信——多器官芯片技術的未來將是數(shù)字化的。通過每次實驗分析，您將獲得越來越多的數(shù)據(jù)，結合現(xiàn)有的理論模型和人工智能方法，我們最終將能夠在執(zhí)行之前模擬和預測實驗終點。

與我們合作，成為多器官芯片前沿技術的推動者！

技術平臺

德國TissUse的HUMIMIC®類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)包括控制單元和芯片，控制單元能夠模擬人體內(nèi)生理環(huán)境，包括溫度、壓力、真空度、微流道循環(huán)頻率、時間等參數(shù)，芯片有不同的微流道設計，針對不同的器官可以單獨設置提供相應的培養(yǎng)條件，提供精準的培養(yǎng)和分化環(huán)境。可提供不同類器官的串聯(lián)共培養(yǎng)方案，避免單一類器官無法模擬人體復雜生理學條件下器官相互通訊交流的不足。通過類器官模擬人類器官組織的生理發(fā)育過程，應用于疾病模型、腫瘤發(fā)生、以及藥物安全性、有效性、毒性、ADME等方面的評估，旨在減少和取代實驗室動物測試，簡化人體臨床試驗。

德國TissUse的HUMIMIC®類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)是通過控制單元來控制微流體環(huán)境中的復雜條件，包括物理因素，如溫度（如37°C）、pH值、氧氣和濕度的供應和控制；包括仿生機械學因素，例如：血液或尿液的流動，空氣在肺中的循環(huán)，膽汁或胰液的流動，血液和淋巴管的剪切應力，骨骼和軟骨的壓力，皮膚的壓力、肺或胃的外壁，腸的蠕動運動，肌肉收縮等等；包括括神經(jīng)元和心臟組織的電信號。通過電生理配件實現(xiàn)了在體內(nèi)模擬組織特異性機電-生化信號的必要功能，能夠為肺、骨和軟骨提供擴張和壓縮力，以及用于肌肉，心臟，腦的電刺激和電信號監(jiān)測。

德國TissUse的HUMIMIC®類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)通過一個自動化設備來控制不同的芯片形式。比如HUMIMIC®Chip2芯片，能夠在每個芯片的兩個微流道連接的培養(yǎng)室中培養(yǎng)兩個不同或者相同的器官。芯片上的微泵在每個微流道中產(chǎn)生生理脈動液體循環(huán)流動。培養(yǎng)室可以靈活地裝載任何類型的器官，包括基于transwell的培養(yǎng)小室。芯片的底部是光學透明的玻璃，可以實現(xiàn)實時成像。

德國TissUse專有的商用MOC技術支持的器官培養(yǎng)物的數(shù)量范圍從單個器官培養(yǎng)到支持復雜器官相互作用研究的器官數(shù)量，包括單器官、二器官、三器官和四器官培養(yǎng)的商業(yè)化的平臺。成功的案例包括：肝臟、腸、皮膚、血管系統(tǒng)、神經(jīng)組織、心臟組織、軟骨、胰腺、腎臟、毛囊、肺組織、脂肪組織、腫瘤模型和骨髓以及各自的多器官串聯(lián)組合方案。

德國TissUse公司專注于類器官培養(yǎng)系統(tǒng)研究22年，推出的HUMIMIC類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)，得到FDA的推薦，可提供不同類器官的串聯(lián)培養(yǎng)解決方案，避免單一類器官培養(yǎng)無法模擬人體器官相互通訊關聯(lián)的缺陷，同時也提供相關的技術方案和后續(xù)方法試劑支持，屬于國際上少有的“Multi-Organ-Chip” 和“Human-on-a-chip”的方案提供者。相關方案已被廣泛應用于藥物開發(fā)、化妝品、食品與營養(yǎng)和消費產(chǎn)品等多個領域。

應用場景

骨髓-毒性評估，單一藥物和多種藥物組合的腫瘤治療方案；
肝臟-藥物代謝及毒性評價；
不同供體的皮膚和免疫細胞共培養(yǎng)-預防同種異體移植組織排斥反應的療法評估；
小腸和肝臟-藥物吸收代謝和毒性的評價；
肝臟和胰腺-2型糖尿病治療新靶點鑒定；
皮膚和腫瘤-抗腫瘤抗體安全有效性評估、治療窗口評估；
胰島、胰腺腫瘤和內(nèi)皮化血管-溶瘤病毒的安全性和有效性測試；
血管化骨髓和淋巴結-基因組編輯造血干細胞的致瘤性和增殖能力的評估；
血管化肝腎移植-評估調(diào)節(jié)性T淋巴細胞預防腎移植排斥反應的潛力；
心臟、肝臟和胰臟-評估心臟代謝療法的作用方式；
腸、肝、腎、腦和血腦屏障（BBB）-藥物ADME分析、藥代動力學、器官特異性毒性和血腦屏障遷移能力；
淋巴組織培養(yǎng)-維持免疫功能正常的淋巴組織；
甲狀腺和肝臟共培養(yǎng)-內(nèi)分泌干擾物鑒定模型；
……

北京佰司特科技有限責任公司 (https://www.best-sciences.com/)

類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)儀—HUMIMIC；灌流式細胞組織類器官代謝分析儀—IMOLA；光片顯微鏡—LSM-200；

蛋白穩(wěn)定性分析儀—PSA-16；單分子質(zhì)量光度系統(tǒng)—TwoMP；超高速視頻級原子力顯微鏡—HS-AFM；微流控擴散測量儀—Fluidity One-M；

電荷光度測量系統(tǒng)—illumionONE；全自動半導體式細胞計數(shù)儀—SOL COUNT；農(nóng)藥殘留定量檢測儀—BST-100；臺式原子力顯微鏡—ACST-AFM；微納加工點印儀—NLP2000DPN5000；