新方法在芯片上实现脑组织类器官的自动生长

加州大学圣克鲁兹分校的一个工程师团队开发了一种远程自动化大脑类器官生长的新方法——从干细胞中生长出的微型三维脑组织模型。大脑类器官使研究人员能够研究和设计人类大脑的关键功能，其准确性是其他模型无法达到的。这对理解大脑发育以及治疗癌症或其他疾病的药物的作用具有意义。

在该杂志上发表的一项新研究中科学报告来自UCSC Braingeneers小组的研究人员详细介绍了他们的自动化、互联网连接的微流体系统，称为“Autoculture”。该系统精确地将饲料液体输送到个人脑瀑样以优化其生长，无需人为干预组织培养．

大脑类器官需要高水平的专业知识和一致性，以维持细胞在数周或数月内生长的精确条件。使用一个自动化系统，如本研究所示，可以消除人为干扰或错误对细胞培养生长的干扰，提供更可靠的结果，并让更多的科学家获得利用人类大脑模型进行研究的机会。

自体培养还解决了类器官生长中由于“批量效应”问题而产生的变化，在类似条件下，在不同时间或不同实验室生长的类器官可能只是因为其生长的复杂性而不同。使用这种统一的自动化系统可以减少变化，并允许研究人员更好地比较和验证他们的结果。

“其中一个巨大的挑战是，这些文化的可重复性不高，在某种程度上这并不令人惊讶，因为这些是长达数月的实验。你必须每隔几天就更换一次培养基，并试图统一对待这些培养物，这是极具挑战性的，”加州大学圣迭戈分校分子、细胞和发育生物学代理教授、该研究的作者之一苏菲·萨拉玛(sophie Salama)说。

独特的设计

自体培养使用微流控芯片由电子与计算机工程副教授Mircea Teodorescu和生物分子工程博士生Spencer Seiler领导的研究人员设计。他们的新型芯片由一种独特的双层模具制成，具有微型井和通道，可将微量液体输送到类器官，这使科学家能够对营养浓度和副产品进行高度控制。总的来说，该系统主要使用现成的低成本组件，使其易于使用和模块化。

特奥多雷斯库说:“这台机器的一个新颖而重要的特点是，一方面，它简化了流程，确保一切都非常一致。”“另一方面，它是非常模块化的，因为系统是由计算机控制的，所以芯片的不同部分是可互换的，有自己的优势——它是一个非常现代的代理。”

由于该系统向类器官源源不断地输送液体，因此它更接近于大脑的真实状况，即通过血液不断地提供营养。

与其他类器官培养方法不同，自体培养系统包含一个有24个单独孔的培养板，因此每个孔都可以作为自己的实验，其中培养物可以独立生长，并以不同的、可编程的浓度和时间喂食液体。在培养箱成像系统让研究人员不断远程监控类器官的生长和形态。

“这个系统的好处是每一个瀑样它有自己的个人微环境，液体在其中流动。”塞勒说。“现在我们把它们分开了——这对手工来说太费力了，但对机器来说没问题。”

此外，该系统的一个独特之处在于，在实验过程中的任何时候，都可以将每种培养物的喂养介质提取出来进行分析。这使得研究人员可以无创地测量pH值和葡萄糖水平等数据，这对监测很重要细胞生长．

微流体系统与互联网相连，允许科学家在任何时候远程操作并从系统中检索实时数据，而不会破坏培养。另一篇来自Braingeneers小组的论文这篇文章发表在该杂志上物联网，展示了汽车文化系统是如何扩展物联网以实现远程控制实验的力量的一个例子，这一需求在大流行中变得更加迫切。

在测量他们的大脑类器官时，研究人员发现干细胞用自体培养系统培养的细胞不仅能正常分化成各种类型的细胞，而且看起来比用标准方法培养的细胞更健康。RNA测序发现糖酵解和内质网应激水平较低，为解决细胞应激提供了第一组有希望的数据在自然纸来自UCSF的合作研究人员，这表明该小组计划在正在进行的研究中进行扩展。

这项研究为UCSC活细胞基因组学中心正在进行的工作提供了一个重要的平台。它与该中心的使命相一致，即将计算机革命的经验应用于生命科学，并且是迈向湿式实验室自动化的更大努力的一部分，以使实验更加可靠和可重复。