我所利用液滴微流控系統實現高通量類器官可控負載與培育

  近日,我所微流控芯片研究組(1807組)秦建華研究員團隊在實現功能類器官可控負載與培育研究方面取得新進展,建立了一種基于雙水相液滴微流控系統的雜合水凝膠微囊可控制備新體系,可高通量產生干細胞來源胰島類器官,并利于降低其變異性。

  類器官(organoids)是近年來新興的體外3D器官模型,被認為是生命科學領域的重大技術突破。類器官指的是一種在體外培育,由干細胞通過自組裝方式形成的多細胞三維結構,其中包含多種組織器官特異性的細胞類型,能夠部分模擬來源組織或器官的關鍵結構和功能,為發育生物學、疾病研究、藥物篩選和再生醫學等領域提供一種新的研究工具。目前,類器官的產生主要依賴于干細胞(PSCs或ASCs等)在特定3D基質微環境中通過細胞分序、空間限制的定向分化來進行自我組裝。由于類器官形成過程涉及多步操作、過程比較繁瑣,特別是3D培養基質多為動物來源(通常為Matrigel),其成分復雜、理化性質不確定,往往導致類器官在形態、組成和功能等方面表現出較高的可變性,在很大程度上影響類器官的質量和高通量可控產生,也制約其廣泛應用。

  近年來,隨著生物材料的快速發展,以水凝膠為代表的生物材料具有生物相容性好、理化性質可調、可模擬體內組織微環境等特點,為在體外構建性能穩定和更高可信度的類器官模型提供了新的思路。在本研究中,秦建華團隊將工程學、材料學與干細胞發育學策略相結合,設計并建立了一種基于雙水相液滴微流控技術的雜合水凝膠微囊材料的新體系,并嘗試用于人誘導多能干細胞(hiPSC)衍生胰島細胞的3D培育、組裝和胰島類器官形成。在該項工作中,研究者設計構建了一種可集成氣動泵閥操控的微流控芯片系統,利用“一步法”可控形成高通量的“水包水”液滴,進一步經過界面靜電絡合反應,產生出大量可負載細胞的海藻酸鈉(NaA)-殼聚糖(CS)雜合微囊。這種微囊制備過程簡單,生物相容性高,具有靈活可控和高通量等特點,有利于大量胰島類器官的組裝、負載、分化和培育。由于微囊中細胞負載數量可控,產生的胰島類器官形態大小比較均一,可顯著降低類器官形成中的變異性,并提升其重復性。經過鑒定,該微囊中形成的胰島類器官呈現較好的細胞活性和糖刺激胰島素分泌功能,體現了這種新型雜合微囊體系用于工程化功能類器官的可行性。這種微囊制備體系尺寸靈活可調,還可延伸用于培育其他類型的類器官,并可作為免疫隔離載體,在體內移植和再生醫學等方面具有重要應用潛力。

  相關研究成果發表在《尖端科學》(Advanced Science)上。上述工作得到中科院戰略性先導科技專項A類“器官重建與制造”和國家自然科學基金項目等的支持。(文/圖 劉海濤、王亞清)

 

  

  

  

  

  

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