器官芯片
使用高内涵成像和 3D 分析开发自动化、高通量器官芯片细胞模型
什么是器官芯片？
器官芯片 (OoC) 是一种使用微加工技术在芯片大小的设备上创建肺、心脏或肠道等生物器官微型模型的技术。这些微加工设备由微型平台上生长的活细胞组成，并且可模拟其所代表器官的结构和功能。细胞通常以一种模拟器官的天然三维结构和灌注流体的方式排列，如血液或空气，以展现器官的生理环境。
OoC 技术可用于创建更准确可靠的器官和组织模型，以更好地重现器官内细胞的复杂微环境和相互作用。与传统的 2D 细胞培养相比，3D 细胞模型可用于更准确可靠地研究疾病、药物开发和毒理学。
OrganoPlate® 3 通道 64 培养芯片和示意图以及依靠 ECM 凝胶生长的一小管细胞的图示。
器官芯片技术如何发挥作用
器官芯片技术通常包括一种聚合物材料，该材料被模制成可模拟目标器官形态的某些方面的形状。然后将细胞接种到芯片上，让其生长并形成类似于组织细胞组成和结构的功能性 3D 结构。在一些情况下，可以将芯片设计为包括微流控通道（模拟器官的微脉管系统），以提供血液流动或其他生理条件，包括向细胞提供营养物质和氧气。
为了更真实地展现目标器官，可以合并各类细胞以形成 3D 结构。这可以通过使用不同的细胞层或使用水凝胶类基质模拟器官的细胞外基质来实现。可以应用各种技术来模拟器官的机械、电气和化学微环境。例如，可以用流体灌注芯片以提供血液流动，或者可以机械刺激芯片以模拟心脏收缩。此外，可以将传感器集成到芯片中，以测量氧气、pH 值和温度等参数，从而监测细胞的健康状况和功能。
将芯片置于培养箱中，在培养箱中可通过显微镜检查、成像或生化测定等各种技术监测细胞生长。一旦芯片功能齐全，科学家就可以采用一种受控且高度可重现的方式，用它来研究疾病、药物开发和毒理学。这是因为芯片可用于模拟相同的条件，每次进行实验时都采用相同的方式，从而使科学家始终能够比较不同实验和处理中的数据。
器官芯片测定自动化可实现高通量筛选
在这里，我们描述了 OoC 培养以及监测和自动化细胞分析的自动化工作流程。自动化方法利用包含多种仪器的集成工作单元，这些仪器可自动化和监测细胞培养。高内涵成像系统可对 3D 细胞模型开发进行表征，并检测化合物的效果。集成系统包括 ImageXpress® Micro 共聚焦高内涵成像系统、自动化 CO2 培养箱、液体处理器 (Biomek i7) 和协作机械手。我们开发了用于自动化细胞接种、培养基交换以及监测 3D 脉管系统发育和生长的方法。此外，该方法可促进自动化化合物检测和毒性作用评估。
与资深应用科学家 Oksana Sirenko 一同观看 OoC 海报展示，该海报介绍了我们的高内涵成像解决方案如何能扩展和自动化器官芯片系统的 3D 成像。
图 1. 工作单元中单个仪器的布局如 (A) 所示。仪器由集成软件（绿色按钮“Go”）控制，可使用该软件进行流程设置。监测培养物中细胞的过程示例见 (B)。在这里，将平板从培养箱移至 ImageXpress Confocal HT.ai 智能化共聚焦高内涵成像分析系统进行明场成像，然后再移回培养箱。也可以预先安排该过程，并且可将需要成像的平板输入列表，以便更轻松地进行批量处理。还可实施更复杂的常规操作，包括用于培养基交换（进料）的液体处理器。
器官芯片应用和测定
将这种复合生物学与先进的高内涵成像技术和 AI/机器学习 3D 分析功能相结合，从而开创了全新的测定水平。在这里，我们分享了自动化细胞培养、测定和分析的方法，这些方法可以提供促进和扩展器官芯片系统使用所需的工具。