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(jié)合，該系統(tǒng)集成了大多數(shù)人體器官生理/疾病狀態(tài)的關(guān)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(yīng)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(nèi)經(jīng)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(nèi)經(jīng)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(jié)構(gòu)，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(nèi)相一致的心臟組織及環(huán)境。具有同體內(nèi)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(yīng)用于以3D方式培養(yǎng)的人類心臟細胞。 在幾天之內(nèi)，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(guān)鍵功能，以了解心臟跳動率，結(jié)構(gòu)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(yīng)，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(jié)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(guān)重要 

 

uECG允許在線監(jiān)測心臟電生理參數(shù)

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(shù)。 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(guān)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(guān)節(jié)炎（OA）軟骨微型模型。健康的軟骨微結(jié)構(gòu)先由嵌入水凝膠的人體關(guān)節(jié)軟骨細胞產(chǎn)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(diào)整芯片技術(shù)，因此將類似于OA病理條件的機械超負荷應(yīng)用于健康的軟骨微組織。 芯片病理刺激在幾天內(nèi)導致了OA樣微組織的產(chǎn)生，其表型和基因型與OA臨床證據(jù)相關(guān)。

該軟骨模型提供了OA關(guān)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(zhì)降解酶的產(chǎn)生以及關(guān)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(zhuǎn)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(guān)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(zhì)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(zhuǎn)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(chǎn)生增加以及炎癥相關(guān)基因（IL6和IL8）的上調(diào)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(jù)兼容的基因表達譜的獲取。 COL10A1和IHH表達上調(diào)，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(guān)的BMP和Wnt信號拮抗劑）下調(diào)，其水平與天然OA軟骨樣品中檢測到的水平匹配