类器官培养仪主机-2
Chip 2
Chip XX
Chip 2
Chip4

类器官培养系统(器官串联芯片培养仪)

类器官培养系统—HUMIMIC

器官串联芯片培养仪

 

       类器官是指在结构和功能上都类似来源器官或组织的模拟物,通过取特定器官的干细胞(iPS/ES),或者利用人的多能干细胞定向诱导分化,能获得微型的器官样的三维培养物,在体外模拟人体器官发育过程。

      类器官,具有某一器官多种功能性细胞和组织形态结构的三维(3D)培养物,主要来源于人具有多项分化潜能的多能干细胞(包括人胚胎干细胞和人诱导多能干细胞iPSCs)或成体干细胞。人多能干细胞能分化为个体所有类型的细胞,在体外,经过诱导分化,模拟人体器官发育过程,能使人多能干细胞直接分化形成各种类器官;不同组织器官都存在内源组织干细胞,在维持各器官的功能形态发挥着重要作用。这些干细胞在体外一定的诱导条件下,可以自组织形成一个直径仅为几毫米的具有组织结构和多种功能细胞的三维培养物。器官芯片是获取两个或两个以上不同的类器官,并且放置在特定的培养芯片上进行共培养,能模拟人体的多个器官参与的生理学过程。
     


基于这一定义,可以发现类器官具备这样几个特征:
    必须包含一种以上与来源器官相同的细胞类型;
    应该表现出来源器官所特有的一些功能;
    细胞的组织方式应当与来源器官相似。

 

      类器官作为一个新兴的技术,在科学研究领域潜力巨大,包括发育生物学、疾病病理学、细胞生物学、再生机制、精准医疗以及药物毒性和药效试验。与传统2D细胞培养模式相比,3D培养的类器官包含多种细胞类型,能够形成具有功能的“微器官”,能更好地用于模拟器官组织的发生过程及生理病理状态,因而在基础研究以及临床诊疗方面具有广阔的应用前景。类器官培养使研究人体发育提供了不受伦理限制的平台,为药物筛选提供了新的平台,也是对现有2D培养方法和动物模型系统的高信息量的互补 。

 

      此外,类器官为获取更接近自然人体发育细胞用于细胞治疗成为可能。通过类器官繁殖的干细胞群取代受损或者患病的组织,类器官提供自体和同种异体细胞疗法的可行性,未来这一技术在再生医学领域也拥有巨大的潜力 。使用这项技术,采用CRISPR/Cas9能够纠正体外遗传异常并能够将健康的转基因细胞再次回输入患者体内,并在后期整合入组织内。在精准医学应用中,患者衍生的类器官也被证明为有价值的诊断工具。在进行治疗之前,采用从患者样本来源的类器官筛查患者体外药物反应,旨在为癌症和囊胞性纤维症患者的护理提供指导并预测治疗结果。随着类器官培养系统以及其实验开发技术的不断发展,类器官应用到了各大研究领域。

 

      类器官可以模拟人体的内外环境和人体器官,帮助研究人员观测用药会对人体器官功能产生什么样的影响。在提倡精准医学和个体化治疗的时代,类器官研究比传统的二维细胞培养更具有针对性,并且可以区别不同癌症对于相同药物的反应。不仅如此,研究者还希望通过诱导多功能干细胞强大的再生潜能,体外生成新的器官或组织,然后移植入体内以替代损坏的组织器官。     

 

 

 

德国TissUse公司推出的HUMIMIC类器官培养系统

      具有紧密的芯片设计,能够模拟逼真的人体内生理环境,包括温度,湿度,气流,压力,液体流动等等,芯片底部有不通的微流道设计,针对不同的器官,可以单独设置提供相应的培养条件,提供精准的培养和分化环境。能高效均一的获得用于研究或药物筛选的类器官,具有较好的重复性。自动化细胞培养、分化一体设备可以高效提高类器官定向分化成功率。内涵自动培养模块;自动换液模块(可以执行至少4种不同的培养基/溶液的换液操作)。该系统能同时培养4种不同的类器官,并且通过微流控技术把这四种不同的类器官联系在一起,进行多器官串联培养相关的研究。

 

      我们的系统化服务方案除了提供培养系统的仪器/软件/耗材之外,还可以提供各种相应的细胞和试剂(iPS&ES&成体干细胞,培养基,细胞因子等),以及计划推出的成熟的商品化的组织和类器官:
a)    类器官培养的仪器耗材:类器官培养微流控设备,软件,培养方案;类器官培养芯片;
b)    类器官培养试的剂:iPS&ES&成体干细胞;类器官培养基;类器官定向诱导试剂盒;
c)    成熟的类器官库:商品化肿瘤类器官库;商品化正常组织类器官库;

 

类器官培养系统--- HUMIMIC的系统化服务方案包括专业化的硬件、专业化的软件、特定细胞、芯片系统、技术服务

  1. HUMIMIC类器官培养系统,可以实现在没有病人的情况下测试病人
  2. 为获取更高相关与准确的测试结果,我们开发了人体器官模型的自动芯片测试:
  3. 配备具有指示相关性的器官模型的芯片,以能够在接触生物体之前检测其安全性和有效性
  4. 最终为芯片配备患者自身相关病变器官的亚基,以评估整个个性化治疗的效果

 

 

HUMIMIC系统化服务方案的内容-1:专业化的硬件
      德国TissUse公司推出的HUMIMIC类器官培养系统是一款专门设计用于在芯片上进行多重类器官培养的系统,该系统能够模拟人体内生理环境,包括温度,湿度,气流,压力,液体流动等等,芯片底部有不通的微流道设计,针对不同的器官,可以单独设置提供相应的培养条件,提供精准的培养和分化环境。能高效均一的获得用于研究或药物筛选的类器官,具有较好的重复性。自动化细胞培养、分化一体设备可以高效提高类器官定向分化成功率。包括:自动培养模块;自动换液模块(可以执行至少多种不同的培养基/溶液的换液操作)。该系统能同时培养4种不同的类器官,通过微流控联在一起,进行多器官串联培养研究。

 

HUMIMIC系统化服务方案的内容-2:专业化的软件

      TissUse Control Unit 自带液晶触摸控制屏,无需外接电脑,软件操控非常友好,可以自主设置每个器官芯片的培养条件,包括温度,压力,真空百分比,时间等参数,来达到器官培养的最佳条件。此外,TissUse Control Unit不需要除了器官芯片之外的耗材,也不需要频繁繁琐的维护,半年进行一个维护校准即可,使用维护成本较低。

 

HUMIMIC系统化服务方案的内容-3:特定细胞

 

HUMIMIC系统化服务方案的内容-4:芯片系统

 

HUMIMIC系统化服务方案的内容-5:技术服务

 

 

类器官培养系统--- HUMIMIC的培养的类器官种类

     

HUMIMIC类器官种类-1:肠类器官:

      HansClever 课题组证实单一的Lgr5 +干细胞能够在体外持续增殖并自组装形成隐窝-绒毛样的小肠上皮结构。进一步的研究结果显示,单个成人Lgr5 + 干细胞也能在体外成功扩增成结肠类器官,将这种功能性的结肠上皮移植到硫酸葡聚糖诱导的急性结肠炎小鼠模型中可以修复其受损的结肠上皮。这提示利用单一成人结肠干细胞体外扩增进行结肠干细胞治疗是可行的。有学者还应用人诱导型多能干细胞( induced pluripotent stem cells,iPSCs) 直接定向分化为小肠组织的方法明确了Wnt3a 蛋白和成纤维细胞生长因子4 是后肠特定分化所必需的物质,而且,这种iPSCs体外构建的人体肠道组织中存在的小肠干细胞,也具有小肠特有的吸收和分泌功能。这有助于未来人肠道疾病药物的设计研究,可大大提高了药物利用率。目前,已有学者构建了小鼠小肠3D 类器官来进行P-糖蛋白抑制剂的筛选,为P-糖蛋白介导的药物转运研究提供了强有力的工具。

     

HUMIMIC类器官种类-2:肝类器官:

      2013 年,Takebe 等将人多能干细胞来源的肝细胞、人间充质干细胞和人内皮细胞混合后在基质胶中培养,发现3 种细胞自组装成3D 化肝芽,将该肝芽移植到丙氧鸟苷诱导肝脏衰亡的TKNOG 小鼠体内后发现这种肝芽可以连接小鼠肠系膜血管,小鼠也出现了人类特有的药物代谢过程。这为肝脏器官发生的研究提供了有益尝试。大型哺乳动物的类器官再造工程也许能加速人类器官移植治疗和疾病致病机制研究的进展。2015 年,Nantasanti 等利用狗的肝脏干细胞构建了可分化为功能性肝细胞的肝类器官模型,能用于铜潴留症的治疗。猫被认为是非常适用于研究人类代谢性疾病的模型,所以利用猫的胆道组织构建肝类器官,可能是原发性肝胆疾病研究及药物筛选的有益工具,但至今也未见利用猫建立长期保持基因稳定的肝脏干/祖细胞培养体系的报道。
     

HUMIMIC类器官种类-3:胰腺类器官:

      有学者发现,当控制骨形态发生蛋白碱性成纤维细胞生长因子、激活素A 和Wnt3a 的表达水平或使用一些小分子化合物进行干预时,可以控制内胚层细胞向特定的方向分化,最终形成胰腺。目前,构建胰岛类器官的主要方法包括利用各种干祖细胞产生胰岛样细胞群和利用各种来源的胰腺细胞悬液或胰腺组织块自组装成拟胰岛体。2011 年,Saito 等将人iPSCs 和胚胎小鼠胰岛细胞体外共培养,最后形成能够产生胰岛素的不成熟细胞群,该细胞群由胰岛α 细胞包绕中央的β 细胞构成,这种结构和成年鼠胰岛相似,将其移植到链脲菌素诱导的高血糖小鼠模型中后发现小鼠血糖水平得到极大改善。而进一步的体内实验研究还需要关注如何规避免疫反应、促进再血管化、促进类器官分化发育等问题,在这方面,Sabek 等提出制备纳米腺体来促进胰岛发挥作用,这种纳米腺体是运用3D 打印技术制作可吸收聚合物胶囊包裹胰岛样细胞团形成的,这可能是未来胰岛类器官应用的一种思路。
     

HUMIMIC类器官种类-4:脑类器官:

      近来,谱系重编程技术为获取特异性种子细胞提供了新的途径。Lancaster 等通过加入不同生长因子的方法将人类胚胎干细胞( embryonic stem cell,ESC) 和iPSC 在神经培养基3D 培养出了与9 ~ 10周胚胎大脑类似的“类大脑”,此类迷你大脑具备人类大脑发育初期的一些主要区域,也出现了背侧皮层、腹侧前脑等可辨认的特征,但由于缺乏一些特定的特征,如小脑、海马状突起等,这些区域无法应用于干细胞模型。之后,该研究者利用小颅畸形患者的皮肤成纤维细胞诱导形成了患者特异性iPSC 细胞系,并应用后者构建了小颅畸形脑类器官模型,通过对照实验发现,正常ESC和该iPSCs 在类器官形成上并没有明显差异,但是后者形成的类器官中有大量未成熟的神经元分化,这为大脑发育紊乱类疾病的研究提供了一定的思路。2015年Kirwan 等应用人iPSC 体外构建了人大脑皮层神经网络,能够模拟人体内皮层网络的发育和功能,这表明可以在体外通过构建大脑类器官来进行人类前脑神经网络生理学机制的研究。
     

HUMIMIC类器官种类-5:前列腺类器官:

      2014 年,研究人员首次在实验室利用来自转移性前列腺癌患者的活检标本和去势抵抗性前列腺癌( castration-resistant prostate cancer,CRPC) 患者的循环肿瘤细胞成功培育出7 个前列腺癌类器官,这些前列腺癌类器官以及从中获得的肿瘤移植物的组织结构及基因突变谱与患者转移灶样本高度相似。Nicholson 等[21]也应用类器官培养技术成功在体外构建患者来源的异种移植物模型,相比于人源性肿瘤组织异种移植及基因工程鼠模型,这种新型的患者来源的类器官能更好地代表CRPC 等高级别前列腺癌,还能代表前列腺癌的庞大临床疾病谱,而这种疾病谱是目前仅有的前列腺癌细胞系无法代表的,因而在前列腺癌药物筛选和个体化治疗中展现出巨大的应用前景。

 

类器官培养系统--- HUMIMIC的应用案例     

HUMIMIC应用案例-1:疾病模型
      类器官的研究还可用于于疾病模型,如发育相关问题,遗传疾病,肿瘤癌症等。
通过使用患者的iPSCs可建立有价值的疾病模型,并能在体外模拟重现病人疾病模型;同时,类器官的建立可以实现对药物药效和毒性进行更有效、更真实的检测。由于类器官可以直接由人类iPSCs直接培养生成,相比于动物模型很大程度上避免了因动物和人类细胞间的差异而导致的检测结果不一致。

 

HUMIMIC应用案例-2:药效和毒理测试
      可以从患者来源的健康和肿瘤组织样品中建立类器官。与此同时类器官培养物可用于药物筛选,这可将肿瘤的遗传背景与药物反应相关联。来自同一患者健康组织的类器官的建立提供了通过筛选选择性杀死肿瘤细胞而又不损害健康细胞的化合物来开发毒性较小的药物的机会。自我更新的肝细胞类器官培养物可用于测试潜在新药的肝毒性(临床试验中药物失败的原因之一)。在该实施例中,药物B似乎最适合于治疗患者,因为它特异性杀死肿瘤类器官并且不引起肝毒性。

      

HUMIMIC应用案例-3:类器官“生物银行”
      根据目前的研究进展,建立了活体类器官“生物银行”。其中,肿瘤来源的类器官在表型和基因上都与肿瘤相似。另外,肿瘤类类器官生物库使生理学相关的药物筛选成为可能。活体类器官生物库可用于确定类器官是否对个体患者的药物反应,具有预测价值。
      从结直肠癌患者的健康组织和肿瘤组织中提取的三维有机组织培养物被用于高通量药物筛选,以确定可能促进个性化治疗的基因药物相关性

 

HUMIMIC应用案例-4:重演肿瘤形成
      类器官的培养和建立,可用于研究肿瘤生成过程中的突变过程,比如说,通过从同一肿瘤的不同区域培养无性繁殖的类细胞器,可以用来研究肿瘤内部的异质性。

      来自不同健康器官的类器官的生长,然后对培养物进行全基因组测序,可以分析器官特异性突变谱。通过生长来自同一肿瘤不同区域的类器官,可以用于研究肿瘤内异质性。区域特异性突变谱可以通过类器官的全基因组测序来揭示。使用与上述相似的方法,可以利用类器官来研究特定化合物对健康细胞和肿瘤细胞突变谱的影响。

 

 

德国TissUse公司推出的HUMIMIC类器官培养系统发表的文献举例

2021, Stem Cell Research, Vol. 53, Generation of two additional integration-free iPSC lines from related human donors
Ramme AP, Faust D, Koenig L, Nguyen N, Marx U
Cell line repository/bank: Human Pluripotent Stem Cell Registry (hPSCreg)

 

2021, Journal of Applied Toxicology, Early view, Demonstration of the first‐pass metabolism in the skin of the hair dye, 4‐amino‐2‐hydroxytoluene, using the Chip2 skin–liver microphysiological model
Tao TP, Brandmair K, Gerlach S, Przibilla J, Géniès C, Jacques‐Jamin C, Schepky A, Marx U, J. Hewitt N, Maschmeyer I, Kühnl J

 

2021, Toxicology, Vol. 448, Characterization of application scenario-dependent pharmacokinetics and pharmacodynamic properties of permethrin and hyperforin in a dynamic skin and liver multi-organ-chip model
Kühnl J, Tao TP, Brandmair K, Gerlach S, Rings T, Müller-Vieira U, Przibilla J, Genies C, Jaques-Jamin C, Schepky A, Marx U, J. Hewitt N, Maschmeyer I

 

2020, TissUse White Paper, Multi-Organ Microphysiological Systems are Poised for Expansive Integration
 

2020, Scientific reports, Repeated dose multi-drug testing using a microfluidic chip-based coculture of human liver and kidney proximal tubules equivalents
Lin N, Zhou X, Geng X, Drewell C, Hübner J, Li Z, Zhang Y, Xue M, Marx U, Li B

 

2020, In Vitro Cellular & Developmental Biology – Animal, The microfollicle: a model of the human hair follicle for in vitro studies
Ataç B, Kiss FM, Lam T, Fauler B, Edler C, Hu P, Phuong-Tao T, Jädicke M, Rütschle I, Azar RP, Youngquist S, Mielke T, Marx U, Lauster R, Lindner G, DiColandrea T

 

2020, International Journal of Pharmaceutics, Vol. 589, Toxicity of topically applied drugs beyond skin irritation: Static skin model vs. Two organs-on-a-chip
Tavares RSN, Phuong-Tao T, Maschmeyer I, Maria-Engler SS, Schäfer-Korting M, Winter A, Zoschke C, Lauster R, Marx U, Gaspar LR

 

2020, Advanced Science, Metal‐Specific Biomaterial Accumulation in Human Peri‐Implant Bone and Bone Marrow
Schoon J, Hesse B, Rakow A, Ort MJ, Lagrange A, Jacobi D, Winter A, Huesker K, Reinke S, Cotte M,Tucoulou R, Marx U, Perka C, Duda GN, Geissler S

 

2020, Human Reproduction, Vol. 35, A multi-organ-chip co-culture of liver and testis equivalents: a first step toward a systemic male reprotoxicity model
Baert Y, Ruetschle I, Cools W, Oehme A, Lorenz A, Marx U, Goossens E, Maschmeyer I

 

2020, Scientific Reports, Human multi-organ chip co-culture of bronchial lung culture and liver spheroids for substance exposure studies
Schimek K, Frentzel S, Luettich K, Bovard D, Rütschle I, Boden L, Rambo F, Erfurth H, Dehne EM, Winter A, Marx U, Hoeng J

 

2020, Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine, Vol. 14, Reconstructed human skin shows epidermal invagination towards integrated neopapillae indicating early hair follicle formation in vitro
Vahav I, van den Broek LJ, Thon M, Monsuur HN, Spiekstra SW, Atac B, Scheper RJ, Lauster R, Lindner G, Marx U, Gibbs S

 

2020, ALTEX, Preprint, Biology-inspired Microphysiological systems to advance patient benefit and animal welfare in drug development
Marx U, Akabane T, Andersson T, Baker E, Beilmann M, Beken S, Brendler-Schwaab S, Cirit M, David R, Dehne EM, Durieux I, Ewart L, Fitzpatrick S, Frey O, Fuchs F, Griffith L, Hamilton G, Hartung T, Hoeng J, Hogberg H, Hughes D, Ingber D, Iskandar A, Kanamori T, Kojima H, Kuehnl J, Leist M, Li B, Loskill P, Mendrick D, Neumann T, Pallocca G, Rusyn I, Smirnova L, Steger-Hartmann T, Tagle D, Tonevitsky A, Tsyb S, Trapecar M, van de Water B, van den Eijnden-van Raaij J, Vulto P, Watanabe K, Wolf A, Zhou X, Roth A

 

2020, Current Opinion in Toxicology, Journal pre-proof, The universal physiological template – a system to advance medicines
Dehne EM, Marx U

 

2020, Elsevier, 441-462, Automation and opportunities for industry scale-up of microphysiological systems in: Organ-on-a-Chip: Engineered Microenvironments for Safety and Efficacy Testing
Dehne EM, Erfurth H, Muhsmann AK, Marx U

 

2020, Elsevier, 429-439, Human body-on-a-chip systems in: Organ-on-a-Chip: Engineered Microenvironments for Safety and Efficacy Testing
Dehne EM, Marx U

 

2019, Stem Cell Research, Vol. 41, Generation of four integration-free iPSC lines from related human donors
Ramme AP, Faust D, Koenig L, Marx U
Cell line repository/bank: Human Pluripotent Stem Cell Registry (hPSCreg)

 

2019, Current Opinion in Toxicology, Vol. 17, Microphysiological systems in the evaluation of hematotoxicities during drug development
Dehne EM, Winter A, Marx U

 

2019, Future Science OA, Vol. 5, No. 8, Autologous induced pluripotent stem cell-derived four-organ-chip
Ramme AP, Koenig L, Hasenberg T, Schwenk C, Magauer C, Faust D, Lorenz AK, Krebs AC, Drewell C, Schirrmann K, Vladetic A, Lin GC, Pabinger S, Neuhaus W, Bois F, Lauster R, Marx U, Dehne EM

 

2019, Elsevier, 279-284, Biologically-Inspired Microphysiological Systems in: The History of Alternative Test Methods in Toxicology
Dehne EM, Hickman J & Shuler M

 

2018, ALTEX, Optimizing drug discovery by Investigative Toxicology: Current and future trends
Beilmann M, Boonen H, Czich A, Dear G, Hewitt P, Mow T, Newham P, Oinonen T, Pognan F, Roth A, Valentin JP, Van Goethem F, Weaver RJ, Birk B, Boyer S, Caloni F, Chen AE, Corvi R, Cronin MTD, Daneshian M, Ewart LC, Fitzgerald RE, Hamilton GA, Hartung T,Kangas JD, Kramer NI, Leist M, Marx U, Polak S, Rovida C, Testai E, Van der Water B, Vulto P, Steger-Hartmann T

 

2018, Nature Scientific Reports, Simultaneous evaluation of anti-EGFR-induced tumour and adverse skin effects in a microfluidic human 3D co-culture model
Hübner J, Raschke M, Rütschle I, Gräßle S, Hasenberg T, Schirrmann K, Lorenz A, Schnurre S, Lauster R, Maschmeyer I, Steger-Hartmann T, Marx U

 

2018, Bioengineering 2018, Bioengineering of a Full-Thickness Skin Equivalent in a 96-Well Insert Format for Substance Permeation Studies and Organ-on-a-Chip Applications
Schimek K, Hsu HH, Boehme M, Kornet JJ, Marx U, Lauster R, Pörtner R, Lindner G

 

2018, J Vis Exp., A Method for Determination and Simulation of Permeability and Diffusion in a 3D Tissue Model in a Membrane Insert System for Multi-well Plates
Hsu HH, Kracht JK, Harder LE, Rudnik K, Lindner G, Schimek K, Marx U, Pörtner R

 

2018, Stem Cell Res Ther., The role of fibrinolysis inhibition in engineered vascular networks derived from endothelial cells and adipose-derived stem cells
Mühleder S, Pill K, Schaupper M, Labuda K, Priglinger E, Hofbauer P, Charwat V, Marx U, Redl H, Holnthoner