機械力刺激動態(tài)多功能人體組織器官模型系統(tǒng)

 

 

該系統(tǒng)將3D細胞培養(yǎng)與機械刺激微環(huán)境相結合，該系統(tǒng)集成了大多數人體器官生理/疾病狀態(tài)的關鍵要素—3D環(huán)境和機械刺激，成功研制了下一代跳動片上器官，從而可以提供更可靠，反應迅速且價格合理的臨床前模型來篩選藥物的益處和安全性。

一、牽張刺激：

 

能夠提供單軸拉伸變形。 它適用于培養(yǎng)體內經歷拉伸刺激的所有那些組織（即，心臟，肌腱，肌肉..）。

 

 

二、壓縮刺激

 

能夠提供壓縮刺激。 它適用于培養(yǎng)所有在體內經歷壓縮刺激的組織（即軟骨，骨骼，牙齒等）。

三、多芯片組合模塊

可以把4個可牽張或壓縮的芯片整合在一起，12個微結構，允許機械刺激每個平臺，并以無菌方式光學監(jiān)控培養(yǎng)物

四、牽張拉伸、壓縮刺激儀：

可以定義牽張、壓縮、流體剪切的力大小、頻率、周期和各種波形。

五、成功創(chuàng)建模型舉例：

1、心臟芯片模型，3D心臟組織模型——在體外復制同體內相一致的心臟組織及環(huán)境。具有同體內相一致特征心臟組織將大大增加體外實驗的準確性

在該系統(tǒng)上開發(fā)芯片上功能化的、能跳動的人的心臟的微型模型。 將類似于心臟跳動的機械訓練階段應用于以3D方式培養(yǎng)的人類心臟細胞。 在幾天之內，就可以自然并同時跳動生成成熟的人類心臟組織。

可以測量心臟的關鍵功能，以了解心臟跳動率，結構毒性和電活動的變化。

 

確實能夠像人類心臟一樣以劑量依賴性方式對藥物做出反應，從而成為篩選藥物心臟毒性和抗心律失常藥物效率的理想平臺。

 

 

機械訓練誘發(fā)整個微組織同步跳動

通過在系統(tǒng)芯片中將帶有支持性成纖維細胞的心肌細胞培養(yǎng)7天，可得到顯示出具有細長形態(tài)和典型肌節(jié)條紋（心肌肌鈣蛋白I染色）的細胞的心臟微組織。

 

該系統(tǒng)機械訓練類似于心臟的生理伸展運動（即10％），其結果對于獲得達到從來未有的成熟度和功能水平的心臟組織至關重要 

 

uECG允許在線監(jiān)測心臟電生理參數

uECG以無創(chuàng)方式在線監(jiān)測表征培養(yǎng)的心臟微組織的電生理參數。 與uECG集成的該系統(tǒng)牽張?zhí)峁┝艘环N*的工具來捕獲藥物對心臟電的影響 

 

2、體外人類骨關節(jié)炎（OA）軟骨芯片模型

該系統(tǒng)成功開發(fā)了業(yè)界個體外人類芯片化骨關節(jié)炎（OA）軟骨微型模型。健康的軟骨微結構先由嵌入水凝膠的人體關節(jié)軟骨細胞產生，并在系統(tǒng)芯片中靜態(tài)培養(yǎng)2周。由于采用了我公司機械力調整芯片技術，因此將類似于OA病理條件的機械超負荷應用于健康的軟骨微組織。 芯片病理刺激在幾天內導致了OA樣微組織的產生，其表型和基因型與OA臨床證據相關。

該軟骨模型提供了OA關鍵指標的測量，包括合成代謝-代謝平衡變化，炎癥的發(fā)生，基質降解酶的產生以及關鍵分子途徑的變化。

動物模型和其他體外平臺無法在這種程度上模仿人類病理。因此，該軟骨模型可用于測試潛在的新型抗OA候選藥物逆轉病理學的效率，這是個能夠復制OA疾病的體外平臺。 

 

在系統(tǒng)中生成健康的人類軟骨微組織

通過在系統(tǒng)中在靜態(tài)條件下培養(yǎng)人類健康的關節(jié)軟骨細胞兩周，獲得了一種軟骨微組織，表現(xiàn)出細胞外基質的天然樣沉積（II型膠原蛋白和聚集蛋白聚糖含量豐富），并且具有與人類相匹配的特征基因譜軟骨。 

 

系統(tǒng)機械過載導致類似OA的合成代謝-分解代謝平衡變化

系統(tǒng)病理刺激可引起軟骨穩(wěn)態(tài)向分解代謝的轉變，這由合成代謝基因（COL2A1和ACAN）的表達缺失，MMP13軟骨降解酶的產生增加以及炎癥相關基因（IL6和IL8）的上調來證明。

 

系統(tǒng)誘導出類似OA的基因圖譜

系統(tǒng)病理刺激觸發(fā)了與OA臨床證據兼容的基因表達譜的獲取。 COL10A1和IHH表達上調，表明該模型向瞬時鈣化軟骨的肥大分化觸發(fā)。 在uBeat病理刺激下，GREM1，F(xiàn)RZB和DKK1（與OA發(fā)病呈負相關的BMP和Wnt信號拮抗劑）下調，其水平與天然OA軟骨樣品中檢測到的水平匹配