基于芯片的三维细胞培养，在灌注微生物反应器
2008年5月21日
我们描述了一个在微型生物反应器培养细胞的三维芯片为基础的平台。一个芯片上可以容纳10百万。无菌，封闭的循环回路中流体流动，氧张力等方面的准确界定条件下，可以培养细胞。
大家好，我是 Eric Gottwald，是 Ware Institute of Technology 生物界面研究所的研究科学家。今天，我想向您介绍我们基于芯片的灌注微生物活性系统。在细胞培养应用中使用芯片之前，我们必须水解聚合物并且必须降低微结构区域的额定值。
这是通过将芯片浸入不同浓度的异丙醇中来实现的，从 100% 开始我将芯片浸入每个浓度中几秒钟，最后一步只是水。之后，芯片干燥，最后我们必须在芯片上涂上胶原蛋白，这是一种促进细胞粘附到聚合物上的溶液。这是通过滴下几滴胶原蛋白来完成的，一种溶液位于微结构区域的顶部，在这种状态下，芯片在 4 摄氏度下孵育过夜。
与胶原蛋白 One 溶液孵育过夜后，除去溶液并用无菌 PBS 洗涤芯片之后，也去除 PBS，芯片现在已准备好接种细胞。现在我们将用单细胞悬液接种 The Cell Ship，只需将 150 微升细胞悬液放在微结构区域的顶部即可完成。细胞沉积后，将芯片在培养箱中于 37 度孵育 3 小时。
孵育 3 小时后，将芯片从培养箱中取出，现在可以插入 ector 中。为此，将 ector 从其无菌包装中取出，并通过对该透明箔进行伽马射线辐照来实现无菌。所以我们只需要打开包并删除 ector。
接下来，我们将瓶子的顶部插入这个培养基储液器中，以便我们可以拆卸生物反应器外壳以插入芯片。打开生物反应器外壳后，我们现在可以插入芯片，只需将芯片放入生物反应器外壳的凹槽中即可实现，现在可以再次组装 bactor。最后，我们必须将无菌过滤器连接到培养基储液罐和一个无菌采样端口。
为了测量闭环回路中的实际氧张力，我们将只需将两个氧传感器安装在这两个连接器之间即可插入它们。bactor 现在可以填充培养基了。bactor 系统现在可以填充细胞培养基，只需将封闭的循环回路连接到滚轮泵即可实现。
这样，我们将同时降低整个 bactor 循环的水平。正如你在 Ector 窗口中看到的那样，你可以看到从下面上升的介质不断上升，并将 bactor 留在顶部。在将 Bactor 系统放入培养箱之前，我们控制循环回路的无气泡填充。
现在系统完全装满了细胞培养基，我们可以将生物反应器转移到培养箱中。现在我们将 bi rector 放入孵化室。为此，首先，正如您之前已经看到的那样，双管家连接到滚轮泵，现在 ector 被瓶子中的这种介质主动灌注。
为了保持周围的氧气浓度，我们将介质储液罐连接到气体供应。最后，我们将两个氧传感器连接到循环系统，以在线监测系统中的氧张力。现在，设置已完成，只要您设计了实验，就可以运行。
在分析 MicroCon 容器内细胞的器官型功能时，最强大的工具之一是激光扫描显微镜，您可以在此处看到。激光扫描显微镜让我们有机会在不破坏的情况下观察每个 MicroCon 容器。由于 MicroCon 容器或芯片可用于传统的免疫染色免疫荧光方法，因此我们能够检测微型容器内的各种标志物和器官型功能。
正如您在该芯片的动画中看到的那样，底部完全充满了细胞以及 MicroCon 容器壁。我们有很多非常有活力的细胞，而且我们的死细胞非常非常少。下一张图片向您展示，我们可以检测 MicroCon 容器内的各种器官型功能。
例如，对于肝细胞，白蛋白产生或 E 可以听到细胞中的表达，您可以在叠加层中很好地看到这一点。细胞核 ir 染成蓝色。此处的 eco 被染成绿色，白蛋白被表达或染成红色。
正如您在这里很好地看到的那样，您期望从肝细胞中获得的所有器官型功能都在这种 3D 培养物中很好地表达。此外，我们还研究了另一个肝细胞标志物，这是细胞角蛋白 18，这张图片显示细胞角蛋白 18 在这类培养物中也很好地表达。这有望让您相信，这种器官型功能也可能对其他器官型培养物有用。
Biore 实验结束后，该芯片可用于分离各种细胞成分，例如总 RNA。正如您在这里看到的，我们向您展示了从生物反应器系统中分离的总 RNA 摄入量。然后，该总 RNA 可用于下游应用，例如实时 PCR，或者如您在此处看到的微阵列分析。
此外，可以从系统中分离出完整的细胞，然后将这些细胞用于常规流式细胞术分析。正如您在这里看到的，我希望我们能向您展示，该系统可能适用于需要器官型反应的各种应用，并且该系统可能适用于我们迄今为止尚未考虑的所有类型应用，例如干细胞应用。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本文介绍了一种基于芯片的平台，专门用于在微型生物反应器中进行三维细胞培养。该系统允许在无菌的封闭循环环境中培养多达1000万个细胞。
关键研究组成部分
科学领域
- 细胞培养
- 微型生物反应器技术
- 生物技术
背景
- 微型生物反应器能够对细胞培养环境进行精确控制。
- 三维细胞培养可以更好地模拟体内条件。
- 聚合物的水解对于芯片的制备至关重要。
- 胶原蛋白涂层增强了细胞对微结构区域的黏附。
研究目的
- 开发一个基于芯片的高效细胞培养系统。
- 为在受控环境中研究细胞反应提供平台。
- 促进紧凑格式下的高密度细胞培养。
使用的方法
- 使用不同浓度的异丙醇对聚合物芯片进行水解。
- 将芯片干燥并用胶原蛋白溶液涂层。
- 在低温下孵育涂层芯片以促进细胞黏附。
- 利用封闭循环环境以保持无菌条件。
主要结果
- 芯片成功支持了多达1000万个细胞的培养。
- 在整个培养过程中保持了受控条件。
- 胶原蛋白涂层显著改善了细胞黏附。
- 该系统展示了在各种细胞培养应用中的潜力。
结论
- 所开发的基于芯片的平台对三维细胞培养有效。
- 它为细胞生物学和生物技术研究人员提供了一个多功能工具。
- 未来的应用可能包括药物测试和组织工程。
常见问题
Executive Industry Relevance
Chip-based three-dimensional cell culture in perfused micro-bioreactors enables high-density, organotypic cell growth under controlled, physiologically relevant conditions. This platform addresses the need for predictive in vitro models that bridge the gap between traditional monolayer cultures and in vivo systems, supporting early discovery and translational research. Its modularity and compatibility with advanced analytics position it as a reusable asset for portfolio-wide R&D initiatives.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Supports interrogation of therapeutic hypotheses in a 3D, organotypic environment.
- Enables functional validation of targets through preservation and measurement of organ-specific markers.
- Facilitates mechanistic de-risking by maintaining cell viability and function over extended periods.
- Provides a platform for evaluating gene expression changes relevant to disease models.
Screening & Assay Development
- Prepares validated 3D biological systems for downstream compound screening workflows.
- Enables reproducible, quantitative readouts via immunofluorescence and molecular assays.
- Supports assay standardization and scalability for high-content analysis.
- Allows for reliable evaluation of compound effects in physiologically relevant contexts.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant systems by preserving organotypic functions such as albumin production and marker expression.
- Enables continuity from discovery through preclinical validation by supporting long-term cell culture and downstream analytics.
- Facilitates risk-adjusted advancement decisions through robust, predictive in vitro data.
- Supports exploratory work in stem cell differentiation and organotypic modeling.
Pipeline & Workflow Integration
This chip-based 3D culture system integrates into the discovery-to-preclinical continuum, enabling hypothesis testing, target validation, and translational research within a single platform.
- Discovery Biology: Provides a controlled environment for testing biological hypotheses and clarifying pathway function.
- Screening: Delivers assay-ready, reproducible 3D cultures for quantitative compound evaluation.
- Analytics: Supports high-content imaging, molecular profiling, and flow cytometry for comparative analysis.
- Translational Research: Maintains organotypic functions and biomarker expression for disease-relevant modeling.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, scalable system adaptable across multiple R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in early-stage research.
- Operational Value: Standardizes 3D culture workflows and enhances reproducibility across teams.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by providing robust in vitro data.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of candidates based on physiologically relevant evidence.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D cell culture and microfluidic system handling.
- Needs access to laser scanning microscopy and molecular analysis infrastructure.
- Demands cross-team standardization for chip preparation and analytical protocols.
- Adaptable to various cell types, including primary cells and stem cells, with protocol optimization.
- Limited by the need for specialized bioreactor components and sterile workflow management.
