新方法使脑组织器官在芯片上自动生长

加州大学圣克鲁斯分校的一个工程师团队已经开发出了一种远程自动生长大脑器官的新方法--从干细胞生长出来的微型三维脑组织模型。大脑器官允许研究人员研究和设计人类大脑的关键功能，其精确程度是其他模型所无法达到的。这对了解大脑发育和治疗癌症或其他疾病的药物效果有意义。

在一份 新研究自然科学报告》杂志上发表的，来自UCSC的研究人员 衬垫组详细介绍了他们的自动化、与互联网连接的微流控系统，称为 "自动培养"。该系统精确地将喂养液输送到各个脑器官，以优化它们的生长，而不需要人类对组织培养的干预。

大脑器官需要高水平的专业知识和一致性，以便在数周或数月内保持细胞生长的精确条件。如本研究所示，使用自动化系统可以消除人为干扰或错误对细胞培养生长造成的干扰，提供更稳健的结果，并让更多的科学家有机会进行人脑模型的研究。

自动培养还解决了由于 "批次效应 "问题而在类器官生长中产生的变异，在不同时间或不同实验室在类似条件下生长的类器官可能仅仅因为其生长的复杂性而产生差异。使用这种统一的自动化系统可以减少变异，使研究人员能够更好地比较和验证他们的结果。

"最大的挑战之一是这些培养物的可重复性不高，在一定程度上这并不奇怪，因为这些是长达数月的实验。你必须每隔几天更换一次培养基，并试图统一处理这些培养物，这极具挑战性，"加州大学旧金山分校分子、细胞和发育生物学代理教授、该研究的作者Sofie Salama说。

独特的设计

自动培养使用的是研究人员设计的微流控芯片，由电子和计算机工程系副教授Mircea Teodorescu和生物分子工程系博士生Spencer Seiler带头。他们的新型芯片由独特的双层模具制成，有微小的孔和通道，用于向类器官输送微量的液体，这使科学家们能够高度控制营养物质的浓度和副产品。总的来说，该系统主要使用现成的、低成本的部件，使其易于使用和模块化。

"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，"Teodorescu说。"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以互换的，并且有各自的优势--它是非常现代的代理。"

由于该系统向有机体提供不间断的液体流动，它更接近于大脑的真实情况，而大脑是通过血液不断获得营养的。

与其他类器官生长方法不同的是，自动培养系统包含一个有24个独立孔的培养板，因此每个孔都可以成为自己的实验，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。孵化器内的成像系统让研究人员不断远程监测类器官的生长和形态。

"Seiler说："这个系统的好处是，每个类器官都有它自己的、个人的微环境，液体从那里流入和流出。"现在我们已经把它们分开了--这如果用手做的话太费劲了，但对机器来说却很好。"

此外，该系统的一个独特之处在于，每个单独的培养物的喂养介质可以在实验过程中的任何时候被拉出来进行分析。这使研究人员能够无创地测量数据，如pH值和葡萄糖水平，这对监测细胞生长很重要。

该微流控系统与互联网相连，允许科学家在任何时候远程操作和检索系统的实时数据，而不中断培养。 来自Braingeneers小组的另一篇论文发表在《物联网》杂志上的这篇论文显示了Autoculture系统如何成为扩展物联网以实现远程控制实验的力量的一个例子--这种需求在大流行病中变得更加迫切。

当测量他们的大脑器官时，研究人员发现，使用自动培养系统培养的干细胞不仅能正常分化成各种细胞类型，而且实际上比使用标准方法培养的干细胞看起来更健康。RNA测序发现，糖酵解和内质网压力水平较低，显示了加州大学旧金山分校合作研究人员在 《自然》 杂志论文中发现的第一组有希望解决细胞压力的数据，该小组计划在正在进行的研究中扩大这一证据。

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平台。它符合该中心将计算机革命的经验教训应用于生命科学的使命，也是实现湿式实验室自动化的更大动力的一部分，以使实验更加稳定和可重复。