Name: 多流灌注生物反应器集成了出口分馏功能，用于动态细胞培养 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-07-20T13:45:00.000+00:00
Duration: 10 min
Description: 了解低成本多流灌注生物反应器技术，用于动态细胞培养中测量溶质分泌与吸收速率的变化。该方法操作简便，可适应多种实验设计，为细胞生物学研究提供重要工具。

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本研究在国立卫生研究院资助下进行，资助编号为 R01EB012521、R01EB028782 和 T32 GM008339。

1. 准备用于孔板灌流的部件
<ol>
	<li>准备管路
	<ol>
		<li>为每种需要灌流的细胞培养准备两段硅胶管（内径1.6 mm）。确保用作上游管路的管段足够长，能够从注射泵延伸至培养箱内的细胞培养装置，且下游管段能够从细胞培养装置延伸至组分收集器最远的伸展位置。</li>
		<li>用标签胶带在每段导管的两端分别标记唯一的标签。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>为孔板准备封口塞
	<ol>
		<li>为待灌注的每孔细胞培养板各准备一个硅胶塞，其直径应合适，能够紧密地插入孔中并形成气密密封。</li>
		<li>剪去瓶塞底部多余的材料，使其能够插入孔板的孔中，同时在预定液面之上留出空间用于空气。</li>
		<li>将两根钝头18 G针分别从每个塞子的顶部穿入、底部穿出，作为小孔中流体的入口和出口，两针在塞子上呈直径相对的位置，以最大化其在小孔内的尖端间距。</li>
		<li>调整堵塞孔中针头的高度，因为出口针头的高度将决定灌注过程中孔内液面的稳定高度。 
		注意：如果灌流开始时出口针位于液面之上，则液体将在孔中积聚，直至液面达到针尖位置。如果灌流开始时出口针位于液面之下，则液面将保持稳定，除非有气泡进入孔中，这会导致液面下降，直至与出口针高度相同。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>收集额外部件
	<ol>
		<li>为每种需要灌流的细胞培养物准备一支无菌注射器，其容量需足以容纳整个灌流过程所需的培养基，另需额外培养基用于初始填充管路。</li>
		<li>为每种需要灌流的培养物，准备一个雌接头转接头和两个雄接头转接头，以及两个雌性鲁尔帽和两个雄性鲁尔帽。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>清洁并灭菌各部件
	<ol>
		<li>若部件此前使用过，需先用 0.1 N NaOH 灌流清洗，再用去离子水冲洗。</li>
		<li>通过高压灭菌或其他方式，确保上述所列所有部件的无菌状态。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 使用激光切割多头分液器并将其连接至组分收集器
<ol>
	<li>在计算机辅助设计程序中重新创建 图3 所示的多头分配器模型，或下载提供的模型 DXF 文件（补充文件1）。</li>
	<li>使用激光切割机从 1/8 英寸丙烯酸板上切割该设计。</li>
	<li>拆下将分配头固定在馏分收集器移动底座上的三颗螺丝。</li>
	<li>将多头分配器上的三个最小孔与移动底座上的螺丝孔对齐，并通过这些孔重新拧入螺丝以固定。</li>
	<li>调节三颗螺丝的松紧度，使多头分配器上下倾斜，直至其一排放液孔与下方收集管对齐。</li>
	<li>小心地将 300 μL 移液器吸头插入所需孔中，作为分配吸头。 
	&#8203;注意：馏分收集器可在不使用多头分配器的情况下用于灌注单个细胞培养物。</li>
</ol>
3. 测量组分RTD并进行信号卷积
<ol>
	<li>设置示踪剂脉冲所需的泵和注射器，如图所示 图2.
	<ol>
		<li>获取两台单通道或多通道注射泵。</li>
		<li>选择一种背景溶液，以代表细胞培养实验中流动系统所使用的培养基。确保背景溶液与培养基具有相似的传质特性。在多数情况下，去离子水是合适的选择。</li>
		<li>选择一种示踪物质来代表细胞培养实验中关注的溶质。确保该示踪物质与目标溶质具有相似的质量传递特性，并且其浓度可被准确测定。在许多情况下，食用染料是一种合适的选择。</li>
		<li>将示踪物质溶解于背景溶液中，制备示踪溶液。</li>
		<li>用背景溶液填充一支注射器，并将其装入一个注射泵中。用示踪剂溶液填充另一支注射器，并将其装入第二个注射泵中。</li>
		<li>使用鲁尔接头将两个注射器连接到三通旋塞阀的三个端口中的两个。</li>
		<li>关闭通往背景溶液的旋塞，泵入示踪剂溶液至旋塞中，直至其从开口端开始滴出。停止泵送，并不再调节注射器。 
		注意：在实验的计时阶段开始之前，必须将注射泵的移动杆推至与注射器推杆接触的位置。这样可在启动泵时立即开始流体流动。否则，即使启动了泵，流动也不会立即开始，而是需要等到移动杆移动至推杆位置后才能开始流动。</li>
		<li>关闭示踪剂溶液的旋塞，泵入背景溶液至旋塞中，直至开放端口中的所有残留示踪剂溶液被完全冲洗干净。停止泵送，并不再进一步调节注射器。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>安装感兴趣的流路系统组件和组分收集器
	<ol>
		<li>搭建用于停留时间分布（RTD）分析的流动系统组件。确保待测组件末端连接一段长度和柔韧性合适的下游管路，以便在运行期间能够顺利连接至组分收集器。</li>
		<li>将下游管路末端插入多头分配器的移液器吸头分配装置中，确保连接紧密。</li>
		<li>将四通旋塞的开口端连接至待测组件的入口。泵入背景溶液，使组件完全充满（如同在细胞培养实验中的状态），并开始从组分收集器的分配尖端滴出。停止泵送。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>注射示踪剂脉冲，收集组分，并测定示踪剂
	<ol>
		<li>将示踪剂溶液的泵设置为所需的流速。关闭背景溶液的旋塞，启动示踪剂溶液的流动。同时，启动组分收集器。</li>
		<li>继续注入示踪溶液一段时间，以近似实现示踪剂的脉冲输入。在流速为1 mL/h时，发现10 min的脉冲持续时间对停留时间分布（RTDs）的测定效果良好。 
		注意：如果示踪剂脉冲持续时间过短，进入流体中的示踪剂将不足以被检测；如果脉冲持续时间过长，则无法近似为脉冲输入，从而改变停留时间分布（RTD）的形状。</li>
		<li>在示踪剂溶液脉冲阶段结束时，停止示踪剂溶液泵。迅速关闭通往示踪剂溶液的旋塞，并以相同的流速开始背景溶液的流动。</li>
		<li>让背景溶液持续流动并收集组分，直至所有示踪剂完全通过系统并进入收集的组分中。</li>
		<li>停止系统并测定各组分中示踪剂的浓度。仅纳入已完全收集的组分。若在某个组分收集过程中途停止收集，则该组分不得纳入。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>根据 MATLAB 中的实测数据计算停留时间分布（RTD） 
	注意：该 MATLAB 脚本所执行分析的书面说明可参见作者此前的出版物11，有关该理论的讨论在文献中广泛可查13.
	<ol>
		<li>生成一个 .xlsx 文件，其中包含浓度数据，格式需参照提供的示例文件 example_tracer_data.xlsx 表格格式。 补充文件 2在第2行中，从左到右按时间顺序输入各组分中示踪剂的浓度值（任意单位）。在单元格A5中输入从脉冲开始至最后一组分结束所经过的时间，在单元格A8中输入示踪剂脉冲持续时间（分钟）。</li>
		<li>将 .xlsx 文件保存在 MATLAB 目录中。</li>
		<li>打开 RTD_From_Data.m 脚本，从 补充文件 3在 MATLAB 编辑器中。</li>
		<li>替换第一行括号中的 .xlsx 文件名 加载数据 在脚本中指定新 .xlsx 数据文件的名称，按照脚本文件中的说明进行操作。运行该脚本。</li>
		<li>确保脚本成功执行 RTD 分析13，生成RTD曲线图，并返回RTD数值积分结果，其值等于1。查找脚本保存至MATLAB目录的时间向量（t）及相应的RTD值向量（Et）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在 MATLAB 中对 RTD 进行模型函数拟合
	<ol>
		<li>在 MATLAB 编辑器中打开 Fit_RTD_Function.m 脚本 补充文件 4.</li>
		<li>选择三种被注释掉的模型函数之一，以拟合RTD：轴向分散模型13，适用于圆管中层流的RTD拟合；CSTR模型13，适用于充分搅拌的反应釜；以及 n-CSTR 模型15，可大致适配较大的培养板。如需适配此处未列出的其他型号，请以相同格式将其添加至脚本中。</li>
		<li>删除脚本中包含所选拟合模型部分的注释。</li>
		<li>更改参数的初始猜测值，使其适用于RTD。</li>
		<li>运行脚本，生成拟合函数曲线叠加在RTD数据上的图表，并输出该函数的拟合参数值。如果拟合效果很差或出现错误，请调整参数的初始估计值，然后重新运行脚本。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在 MATLAB 中执行信号卷积
	<ol>
		<li>选择一个信号和一个RTD，或两个RTDs进行卷积。</li>
		<li>打开 Signal_Convolution.m 脚本，来自 补充文件 5在 MATLAB 编辑器中。</li>
		<li>对于需要进行卷积的两个信号（即一个信号与一个RTD，或两个RTD），分别定义一个以所需单位等间距排列的时间点向量，以及在对应时间点上的信号值向量。 
		注意：两个信号的向量必须具有相同数量的元素以及相同的时间步长。因此，将RTD表示为连续函数非常有用，这样可以在任意时间间隔内对任意数量的点进行采样。</li>
		<li>将两个信号输入 MATLAB 并运行脚本，以获取输出信号的时间向量和信号向量。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 在孔板中建立含细胞的基础灌流系统
<ol>
	<li>准备培养板
	<ol>
		<li>确保培养板中的培养基深度适合灌流实验。在开始灌流前，根据需要完成最终的培养基更换、刺激或其他操作步骤。若进行灌流的是悬浮细胞，需对培养板进行离心，以确保细胞沉降至底部。</li>
		<li>在无菌条件下，将带有针头的塞子插入培养板的孔中，插入时针头应处于拉起状态。塞子就位后，将针头降至所需的灌注高度，因为出口针头的高度决定了稳定的液面水平。</li>
		<li>用公Luer帽封住针头，并将整个孔板置于培养箱中直至使用。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>准备注射器和上游管路
	<ol>
		<li>在无菌条件下，为每种需要灌流的培养物准备一支注射器，加入足够维持预期灌流时间的培养基，另加足量培养基以填充上游管路。</li>
		<li>使用雌性转鲁尔接头将上游管路连接至注射器。在管路的另一端插入雄性转鲁尔接头。</li>
		<li>从注射器中排出培养基，直至上游管路完全充满培养基。</li>
		<li>用雌性鲁尔帽封闭试管的开口端。 
		注意：此时所有平行样本注射器的体积必须完全相同。如果它们的体积不相等，活塞的位置将不同，导致无法全部良好地安装到同一个多位点注射泵中。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在无菌条件下，将一个公型接头式鲁尔接头插入下游管路的一端，并用母型鲁尔帽封口。</li>
	<li>将所有准备好的导管、注射器和培养板小心地移至用于灌注的培养箱中。</li>
	<li>将注射泵和组分收集器放置在靠近培养箱的合适位置。将注射泵置于培养箱顶部或附近，将组分收集器放置在培养箱旁边，靠近端口处。</li>
	<li>将所有上游和下游管路的封闭端捆扎在一起，通过端口从孵育箱外部推入内部。</li>
	<li>将注射器装入注射泵，并将下游管路的开口端插入馏分收集器多通道分配头的分配移液管尖端中。</li>
	<li>在培养箱内，尽可能将上游管路的松弛部分拉入培养箱中，以延长培养液流经的管路长度，从而最大限度地使流动的培养基从培养箱空气中的热量和CO2获得充分平衡。在固定好上游管路的同时，将下游管路从培养箱中轻轻拉出，长度以刚好能够到达馏分收集器最远端位置为宜，同时确保管路封闭端仍保留在培养箱内部。</li>
	<li>对于每个堵塞的孔，迅速打开该孔的针头以及上游和下游管路的盖帽，并使用鲁尔接头将它们连接在一起。</li>
	<li>所有部件连接完毕后，短暂以相对较高速度运行注射泵，以确保各流路均正常流动。</li>
	<li>此时，如果希望实验开始时下游各管路已充满培养基，则继续运行泵直至所有管路充满；否则，停止泵的运行。</li>
	<li>设定注射泵的流速和组分收集频率，同时启动两台仪器以开始实验。根据实验所需时长收集组分。</li>
</ol>
5. 使用三通阀为多个培养基来源设置灌注系统
<ol>
	<li>执行上述第4.1步的所有子步骤。</li>
	<li>准备灌注过程中将使用的两种培养基，将首先分配的培养基标记为培养基1，另一种标记为培养基2。</li>
	<li>对于每一种需要灌注的培养物，用足够量的培养基1填充一个注射器，使其能够满足该培养基分配期间的全部需求，并额外补充用于初始填充灌注系统的体积；另用一个注射器装入足够量的培养基2，以满足其分配期间的全部需求。</li>
	<li>将两个注射器分别连接至三通旋塞阀的三个端口中的两个。 
	注意：可能需要使用一段连接管将注射器与旋塞阀相连。</li>
	<li>参照上述步骤3.1.7–3.1.8的方法准备旋塞阀和注射器：关闭通向培养基1的旋塞阀，从培养基2的注射器向旋塞阀内排液，直至液体刚开始从开放端口滴出为止。</li>
	<li>关闭通向培养基2的旋塞阀，从培养基1的注射器向旋塞阀内排液，直至所有残余的培养基2均从开放端口被冲洗干净。</li>
	<li>使用雌-雄接头Luer连接器将上游管路连接至旋塞阀的开放端口；在管路的另一端插入一个雄-雄接头Luer连接器。</li>
	<li>从注射器中排出培养基1，直至上游管路完全充满培养基。</li>
	<li>继续执行上述步骤4.3–4.11，将两个注射器分别装入独立的注射泵中，并仅开始分配培养基1。</li>
	<li>设定培养基1注射泵的流速以及组分收集频率，并同时启动两台设备以开始实验。</li>
	<li>当需要更换培养基来源时，迅速停止培养基1的注射泵，将旋塞阀转向关闭培养基1通路，然后启动培养基2的注射泵。如后续需要，可采用类似方式将培养基来源切换回培养基1。</li>
	<li>按实验所需时长收集各组分。</li>
</ol>
6. 建立带有搅拌罐的灌注系统以模拟药代动力学
<ol>
	<li>获取目标药物的药代动力学数据，并确保其包含一个浓度峰值及随后的指数衰减过程。</li>
	<li>将峰值设定为时间零点，并去除峰值前的数据点后，使用 Stirred_Tank_Fit.m 脚本（补充文件 6）将搅拌釜反应器停留时间分布（RTD）方程拟合至数据。将期望的灌注流速 v 和待拟合数据作为一对向量直接输入脚本，其中 t 和 C 分别代表时间值和浓度值。运行脚本以输出参数 V，该值即为所需的搅拌釜体积。</li>
	<li>规划灌注系统的布局，使其包括两个位于培养箱上游的注射泵和一个平板振荡器。</li>
	<li>测量灌注系统中截止止流阀之后各组件的停留时间分布（RTD），并对不同药物脉冲持续时间和浓度下的 RTD 进行信号卷积分析，以确定合适的药代动力学曲线。在该计算中使用已拟合的搅拌釜 RTD 方程。</li>
	<li>继续执行上述步骤 5.1–5.8。</li>
	<li>使用一个尺寸合适的额外培养板作为系统的搅拌釜。每个孔可作为一个灌注培养体系的搅拌釜。向孔中加入所需体积 V 的培养基，先将针头拔起，然后推至孔底，插入并封住针头。</li>
	<li>将注射器装入注射泵，并迅速将注射器管路连接至搅拌釜的带帽进样针入口，再将细胞培养上游管路的入口连接至搅拌釜的出样针出口。</li>
	<li>继续执行步骤 5.9–5.10。</li>
	<li>在预定时间，切换至含有药物的培养基 2，操作如步骤 5.11 所述。当药物输注完成后，切换回培养基 1。</li>
	<li>继续执行步骤 5.12。</li>
</ol>
<img alt="图3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63935/63935fig03.jpg" /> 
图3：多头分液器。 激光切割多头分液器的设计图。该图已根据 Erickson 等人11 的内容修改。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63935/63935fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

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<li>Rodrigues, M. E., Costa, A. R., Henriques, M., Azeredo, J., Oliveira, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wave+characterization+for+mammalian+cell+culture%3A+residence+time+distribution%5BTitle%5D)+AND+%22New+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">Wave characterization for mammalian cell culture: residence time distribution.</a> New Biotechnology. 29 (3), 402-408 (2012).</li>
<li>Olivet, D., Valls, J., Gordillo, M. A., Freixó, A., Sánchez, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+residence+time+distribution+technique+to+the+study+of+the+hydrodynamic+behaviour+of+a+full-scale+wastewater+treatment+plant+plug-flow+bioreactor%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Technology+and+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">Application of residence time distribution technique to the study of the hydrodynamic behaviour of a full-scale wastewater treatment plant plug-flow bioreactor.</a> Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 80 (4), 425-432 (2005).</li>
</ol>

作者声明无竞争利益。

本研究描述了一种具有多个培养基来源的灌注细胞培养系统的组装与操作，并通过一个具体实例进行了演示：测量细胞在短暂的TNF-α脉冲刺激下，NF-κB驱动的基因表达动态变化。实验测定了灌注系统各组件的停留时间分布（RTD），并建立了数学模型，采用信号卷积方法预测细胞所经历的TNF-α脉冲暴露情况以及收集的流出液培养基组分中TNF-α的分布。细胞接受脉冲刺激后，连续收集流出液组分达40小时，随后测定各组分中的GLuc含量，并将其与预测的TNF-α信号并列绘图，从而揭示刺激与响应之间的动态关系。
这种灌注方法并非没有缺点。值得注意的是，由于在培养箱内完成设置后需将管路连接至培养板，这一关键的短暂步骤会带来无菌风险。根据作者的经验，污染情况相当罕见；尽管如此，仍可通过以下方式降低污染风险。首先，所有细胞操作步骤和无菌连接均应在生物安全柜中进行。另一个可考虑的额外预防措施是在细胞培养物入口处串联一个0.22 μm的注射器滤器以提高无菌性。使用无菌过滤可在培养基进入细胞培养体系前截留其中的细菌或其他较大的微生物，但该方法会增加驱动流体流动所需的压力，并可能因膜污染而导致堵塞。此外，流出的样品目前仍...

许多重要的生物学过程在细胞和组织培养中以分钟到小时的时间尺度发生1,2,3。尽管其中一些现象可以通过延时显微镜4、生物发光1或其他方法以自动化方式观察和记录，但涉及收集培养上清液样本进行化学分析的实验通常仍在静态细胞培养中手动完成。由于频繁采样或非工作时间采样操作不便，手动采样限制了某些研究的可行性。静态培养方法的其他不足还包括难以实现对化学刺激物的受控、瞬时暴露实验。在静态培养中，刺激物必须手动添加和去除，刺激模式仅限于随时间发生的阶跃变化，同时换液过程也会非特异性地添加或去除培养基中的其他组分，从而以不可控的方式影响细胞5。流体系统可克服这些挑战，但现有设备存在其他问题。微流控装置需要昂贵的专用设备和操作培训，成本高昂，且样品处理依赖于微分析方法，灌注后细胞也难以从装置中回收6。目前为本文所述类型实验开发的宏流控系统较少7,8,9,10，且通常由多个自制定制部件组装而成，需要多个泵或组分收集器。此外，除用于悬浮培养的搅拌罐式生物反应器（适用于生物制造）外，作者尚不知有任何 commercially available 的宏流控灌注细胞培养系统专门用于生理建模与研究。
作者此前报道了一种低成本灌注生物反应器系统的设计，该系统几乎完全由市售部件组成11。该系统的基本版本可在CO2培养箱中同时维持多孔板中的多个培养体系，并通过注射泵持续向培养物灌注培养基，同时利用经定制改造的组分收集器，自动将来自培养物的流出液随时间分馏为多个样品。因此，该系统可实现对培养基上清液的自动化取样以及持续向培养物供给溶质。该系统为宏观流体、模块化设计，可根据新型实验设计的需求进行便捷调整。
本文所介绍方法的总体目标是构建、表征并使用一种灌流细胞培养系统，该系统可用于测量细胞随时间的物质分泌或吸收速率，和/或使细胞暴露于精确且瞬时的溶质信号的实验。本视频文章详细说明了如何组装基础装置，该装置利用单个注射泵和改装的组分收集器，可同时对最多六个细胞培养物进行灌流。此外，还介绍了两种基于该基础系统的实用变体，这些变体通过增加泵和其他组件，使实验能够向细胞施加瞬时的溶质浓度信号，包括短暂脉冲和类似药代动力学的浓度曲线12，如图1所示。
<img alt="图 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63935/63935fig01.jpg" /> 
图 1：灌流系统设计的三种变体。 （上）基本的灌流系统。（中）带有可切换多种培养基来源的旋塞阀的灌流系统。（下）带有搅拌罐以模拟充分混合的分布容积的灌流系统。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63935/63935fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
由于流动过程中存在分散和扩散现象，溶质信号在流经流动系统时会发生畸变或“展宽”。这种畸变可通过停留时间分布（RTD）进行量化13。本文介绍了如何在灌注系统的各个组件上开展示踪实验（图2），并提供了从实测数据生成RTD的MATLAB脚本。有关该分析的详细说明，可参见作者此前发表的论文11。此外，还提供了其他MATLAB脚本，用于对RTD拟合适当的函数、提取物理参数，以及利用RTD进行信号卷积，以预测用户输入的溶质信号在灌注系统中的传播与畸变过程14。
<img alt="图 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63935/63935fig02.jpg" /> 
图 2：停留时间分布。 通过向系统中注入示踪剂脉冲，并测量其流出至收集的组分中时的“扩散”程度，可测定流动系统组件（如此段管路）的停留时间分布（RTD）。本图经 Erickson 等人11 修改。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63935/63935fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

<table><tbody><tr><td>用于注射器和分配装置的18号1 1/2英寸一次性探针针头</td><td>Grainger</td><td>5FVK2</td><td></td></tr><tr><td>293T细胞</td><td>ATCC</td><td>CRL-3216</td><td>代表性实验结果中使用的HEK 293T细胞。</td></tr><tr><td>康宁96孔透明底板</td><td>VWR</td><td>89091-010</td><td>用于RTD实验中染料浓度测定以及代表性实验中GLuc检测的微孔板。</td></tr><tr><td>BD&amp;nbsp;带鲁尔锁扣头的5 mL一次性注射器</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-829-45</td><td></td></tr><tr><td>Bio-Rad BioFrac组分收集器&amp;nbsp;</td><td>Bio-Rad</td><td>7410002</td><td>可用于单一流路的组分收集，或通过我们的方法改造后实现多流路同时收集。</td></tr><tr><td>透明高强度抗紫外线亚克力板，12&quot; × 12&quot; × 1/8&quot;</td><td>McMaster-Carr</td><td>4615T93</td><td>根据补充材料中的DXF文件使用激光切割机制作多头分配装置，可连接至BioFrac组分收集器。</td></tr><tr><td>天然腔肠素</td><td>NanoLight Technology</td><td>303</td><td>在代表性结果的海肾荧光素酶生物发光检测中使用的底物。</td></tr><tr><td>康宁Costar TC处理多孔培养板，48&amp;nbsp;孔，聚苯乙烯材质，平底孔</td><td>Millipore Sigma</td><td>CLS3548</td><td>用于在代表性结果实验中培养和灌注293T细胞。</td></tr><tr><td>康宁&amp;nbsp;Costar平底细胞培养板，12孔</td><td>Fisher Scientific</td><td>720081</td><td>可密封用作搅拌罐，以在灌注过程中生成药代动力学曲线，也可用于容纳灌注细胞。</td></tr><tr><td>DMEM，高糖</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>11965126</td><td></td></tr><tr><td>Epilog Zing 24激光切割机</td><td>Cutting Edge Systems</td><td>Epilog Zing 24</td><td>用于从亚克力板切割制作多头分配装置的激光切割机，也可使用其他型号的激光切割机。</td></tr><tr><td>Fisherbrand一次性无菌注射器，鲁尔锁扣，20 mL</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-955-460</td><td></td></tr><tr><td>Fisherbrand一次性无菌注射器，鲁尔锁扣，60 mL</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-955-461</td><td></td></tr><tr><td>Fisherbrand Premium微量离心管：1.5 mL</td><td>Fisher Scientific</td><td>05-408-129</td><td>用于收集组分的微量离心管。</td></tr><tr><td>Fisherbrand&amp;nbsp;圆底一次性硼硅酸盐玻璃管，平口端</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-961-26</td><td>用于收集组分的玻璃管。</td></tr><tr><td>Fisherbrand&amp;nbsp;SureOne Micropoint移液器吸头，通用型，无滤芯</td><td>Fisher Scientific</td><td>2707410</td><td>300 µL移液器吸头，最适配多头分配装置和管路，作为分配吸头使用。</td></tr><tr><td>Gibco&amp;nbsp;DPBS粉末，无钙，无镁</td><td>Fisher Scientific</td><td>21600010</td><td>磷酸盐缓冲液。</td></tr><tr><td>Labline 4625滴定摇床</td><td>Marshall Scientific</td><td>Labline 4625 Titer Shaker</td><td>轨道摇床，用于保持搅拌罐内液体均匀混合。</td></tr><tr><td>Masterflex接头，聚碳酸酯材质，四通旋塞，雄性鲁尔锁扣，非无菌；10个/包</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-30600-04</td><td>用于连接RTD实验和细胞培养实验中的多个进样流路。</td></tr><tr><td>Masterflex接头，聚碳酸酯材质，直型，雌性鲁尔接口 × 端帽；25个/包</td><td>Masterflex</td><td>UX-45501-28</td><td></td></tr><tr><td>Masterflex接头，聚丙烯材质，直型，雌性鲁尔转软管接头，1/16&quot;</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-45508-00</td><td></td></tr><tr><td>Masterflex接头，聚丙烯材质，直型，雄性鲁尔锁扣转软管接头，内径1/16&quot;</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-45518-00</td><td></td></tr><tr><td>Masterflex接头，聚丙烯材质，直型，雄性鲁尔锁扣转插头接头；25个/包</td><td>Masterflex</td><td>EW-30800-30</td><td></td></tr><tr><td>Masterflex L/S精密泵用管路，铂固化硅胶，L/S 14规格；25英尺</td><td>Masterflex</td><td>EW-96410-14</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>MathWorks</td><td>R2019b</td><td>版本R2019b。更新版本也可使用，部分较早版本可能兼容。</td></tr><tr><td>NE-1600六通道可编程注射泵</td><td>New Era Pump Systems</td><td>NE-1600</td><td></td></tr><tr><td>支架组件F1</td><td>Bio-Rad</td><td>7410010</td><td>用于在组分收集器中固定收集管的支架。</td></tr><tr><td>重组人TNF-α（HEK293表达）蛋白，CF级</td><td>Bio-Techne</td><td>10291-TA-020</td><td>在代表性结果实验中用于刺激293T细胞的细胞因子。</td></tr><tr><td>Saint Gobain实心塞，Versilic硅胶材质，尺寸00，底部直径10.5 mm</td><td>Saint Gobain</td><td>DX263015-50</td><td>适用于48孔板。</td></tr><tr><td>Saint Gobain实心塞，Versilic硅胶材质，尺寸4，底部直径21 mm</td><td>Saint Gobain</td><td>DX263027-10</td><td>适用于12孔板。</td></tr><tr><td>氢氧化钠，10.0 N水溶液，APHA级；1 L</td><td>Spectrum Chemicals</td><td>S-395-1LT</td><td></td></tr><tr><td>SolidWorks</td><td>Dassault Systems</td><td>SolidWorks</td><td>用于创建多头分配装置DXF文件的CAD软件。</td></tr><tr><td>Varioskan LUX多功能微孔板读板仪</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>VL0000D0</td><td>微孔板检测仪。</td></tr><tr><td>Wilton Color Right高性能彩色系统基础补充装，蓝色</td><td>Michaels</td><td>10404779</td><td>含亮蓝FCF的蓝色食用染料，用作RTD实验中的示踪剂，其吸收光谱峰值位于628 nm。</td></tr></tbody></table>

集成出口分流功能的多通道灌注生物反应器用于动态细胞培养

Multi-Stream Perfusion Bioreactor Integrated with Outlet Fractionation for Dynamic Cell Culture

某些细胞和组织功能在分钟至小时的动态时间尺度上运行，而传统的培养系统难以对此类动态过程进行有效解析。本研究开发了一种低成本的灌流生物反应器系统，可将培养基持续灌流至细胞培养模块，并在下游模块中进行分段收集，从而实现对该时间尺度上动态变化的测量。该系统几乎完全由市售部件构成，可实现并行化操作，从而在传统的多孔细胞培养板中同时开展多个独立实验。本视频文章演示了如何组装基础系统，仅需一台多通道注射泵和一台经改装的组分收集器，即可同时对最多六个培养体系进行灌流。此外，还展示了模块化设计的若干实用变体，可实现对刺激动态的精确控制，例如溶质脉冲或类似药代动力学的浓度变化模式。重要的是，溶质信号在系统中传输时，会因溶质扩散而发生畸变。本文还描述了一种利用示踪剂结合MATLAB测量灌流系统各部件停留时间分布（RTD）的方法。RTD可用于计算多室系统中流动引起的溶质信号畸变程度。该系统具有高度的稳健性和可重复性，基础研究人员无需依赖专业加工设备即可轻松采用。

采用第5节方案中具有多个培养基来源的灌注系统，检测人胚胎肾293（HEK293）细胞中由活化B细胞核因子κ轻链增强子（NF-κB）转录因子驱动的报告基因在肿瘤坏死因子α（TNF-α）刺激1.5小时脉冲下的表达动态。通过慢病毒载体将含有高丝氨酸荧光素酶（GLuc）基因的构建体稳定转导至HEK293细胞，该构建体由包含NF-κB反应元件的NFKB启动子驱动，从而构建NFKB-GLuc HEK293细胞系，并进行分选 通过 采用荧光激活细胞分选（FACS）分离转导细胞。分选后的细胞冻存备用。
对于每种灌注培养，灌注系统包括一段1 m长的上游管路，连接至装有细胞的封堵式48孔板，随后接1 m长的下游管路，通向多头馏分收集器，流速为0.5 mL/h（0.0083 mL/min）。使用0.5 mL/h的流速和20 min的示踪剂脉冲，分别测量了仅含1 m管路以及完整装置（1 m管路 + 48孔板 + 1 m管路）的停留时间分布（RTD）。背景溶液为去离子水，示踪剂溶液为溶于去离子水的蓝色食用染料，利用多头分液器以每小时1个馏分的速率收集馏分。采用酶标仪测定各馏分100 μL样...

本文介绍了一种构建和操作低成本、多通道灌注细胞培养系统的方法，用于测量细胞过程中溶质分泌和吸收速率的动力学变化。该系统还可使细胞暴露于动态刺激条件下。

某些细胞和组织功能在数分钟至数小时的动态时间尺度上运行，而传统的培养系统难以对此进行有效解析。

该方法有助于理解分泌速率如何随时间变化，以及细胞如何响应随时间变化的固相信号。该技术的主要优点是成本低、所需培训少，且灌注系统装置可针对新实验进行调整。首先，用背景溶液填充一支注射器，并将其装入第一台注射泵中。用示踪溶液填充另一支注射器，并将其装入第二个注射泵中。使用鲁尔接头将两支注射器连接至三通旋塞阀的三个端口中的两个。关闭通往背景溶液的旋塞阀，泵入示踪溶液直至液体从开放的端口滴出。停止泵的运行，不要再调整注射器。确保注射器泵的移动杆已紧贴注射器的推杆，以便在启动泵时流体立即开始流动。关闭通往示踪剂溶液的旋塞阀，泵入背景溶液至旋塞阀，直至将开放端口中的所有残留示踪剂溶液冲洗干净。停止泵运行，不再调节注射器。搭建所需的用于停留时间分布（RTD）分析的流动系统组件。将末端插入移液枪头盒中，并泵入背景溶液通过该组件，直至其完全充满。将示踪剂溶液的泵设置为所需的流速。关闭背景溶液的旋塞，启动示踪剂溶液的流动。同时，启动组分收集器。继续让示踪剂溶液流动一段时间，以近似实现示踪剂的脉冲输入。建议在每小时1毫升的流速下，示踪剂溶液的脉冲持续时间为10分钟。在示踪剂溶液脉冲阶段结束时，停止示踪剂溶液泵的运行。迅速关闭示踪剂溶液的旋塞，并以相同的流速开始背景溶液的流动。让背景溶液持续流动并收集组分，直至所有示踪剂完全通过系统并进入收集的组分中。在无菌条件下，将带有针头的塞子插入孔板培养物中，并将针头拔起。塞子安装到位后，将针头降至灌注所需高度，因为出口针头的高度决定了液体的稳定液面。用公鲁尔帽封闭针头，并将整个培养板置于37摄氏度的培养箱中备用。准备用于灌注的两种培养基，将首先加入的培养基标记为一，另一种标记为二。对于每种需要灌注的培养物，用培养基一装满一支注射器，其体积需足以维持整个灌注过程所需，并额外包含初始填充灌注系统所需的量；另用培养基二装满第二支注射器，其体积需足以维持整个灌注过程所需。将这两支注射器分别连接至一个三通旋塞阀的三个端口中的两个。可能需要一段连接注射器与旋塞阀的管路。准备旋塞阀时，先关闭介质一的旋塞阀，将介质二注入旋塞阀中，直至液体开始从开口端滴出；然后关闭介质二的旋塞阀，将介质一注入旋塞阀中，直至所有残留的介质二均被冲洗出开口端。使用母型到锥形鲁尔接头将上游管路连接至开放的旋塞端口。在管路的另一端插入公型到锥形鲁尔接头。从注射器中排出介质一，直至上游管路完全充满介质，然后按照之前所示方法继续准备下游管路。将一个公头鲁尔接头插入下游管路的一端，并用母头鲁尔帽封闭。小心地将所有准备好的管路、注射器和培养板转移至将用于灌注的培养箱中。将注射泵和组分收集器放置在靠近培养箱的合适位置。将注射泵放置在培养箱顶部或附近，并将组分收集器放置在靠近培养箱端口的位置。将注射器装入泵中。将所有上游和下游管路的带盖端捆扎在一起，从培养箱外部通过端口推入内部。将下游管路的开口端插入馏分收集器多头分配器的分配移液管尖端中。在培养箱内，尽可能将上游管路的多余部分拉入培养箱，以增加流动培养基受热和吸收二氧化碳的管路长度。对于每个已堵塞的孔，迅速打开该孔的针头、上游管路和下游管路的帽盖，然后使用鲁尔接头将它们连接在一起。所有部件连接完毕后，以相对较快的速度短暂运行注射泵，以确保所有流路正常流动。此时，若希望实验开始时下游管路已充满培养基，则继续运行泵直至所有管路充满，否则停止泵的运行。设定注射泵的培养基一流速以及组分收集频率，并同时启动两台设备以开始实验。当需要更换培养基来源时，迅速停止培养基一的注射泵。关闭通向培养基一的旋塞阀，并启动培养基二的注射泵。如之后需要，可按同样方式将培养基来源切换回培养基一。根据所需实验时长收集各馏分。通过两个停留时间分布（RTD）实验获得的馏分中示踪剂浓度被测定后，输入至基于数据的 MATLAB 脚本以生成两条 RTD 曲线。单根管道以及多段串联管路均能很好地拟合单一轴向分散模型；在线路中加入灌注式 48 孔板后引起的偏差可忽略不计，因此一米长管道的 RTD 以及整个系统的 RTD 均可用轴向分散函数进行拟合。通过将轴向分散模型拟合到一米长管道的停留时间分布（RTD）数据，展示了一个模型拟合效果较差的示例，并将拟合结果与实验数据一同绘出。通过调整初始参数估计值，获得了良好的模型拟合结果，其中tau值约等于灌注系统体积除以其体积流量。将持续90分钟的TNF-α脉冲定义为系统的输入信号，并将其与一米长管路的RTD进行卷积，以确定在孔板入口处的TNF-α信号。输入信号还与整个系统的停留时间分布（RTD）进行卷积，以确定收集组分中系统出口处的TNF-α信号。HEK 293细胞经基因工程改造，可分泌由含有NF-κB反应元件的启动子驱动的GLuc。实验结果显示，在TNF-α刺激后，由NF-κB驱动的GLuc表达显著升高，并随后缓慢下降。该系统的不同变体在配套论文中有描述，包括一种更简单的装置，适用于无需输入信号以及使细胞暴露于药物-人连通性溶质谱的实验。

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