具有改進(jìn)的使用壽命和體內(nèi)平衡的多器官芯片的制作方法
【專利說明】具有改進(jìn)的使用壽命和體內(nèi)平衡的多器官芯片
【背景技術(shù)】
[0001] 小型三維（3D)器官或類器官培養(yǎng)系統(tǒng)具有逐漸增加的學(xué)術(shù)利益和經(jīng)濟(jì)利益。這 些3D培養(yǎng)系統(tǒng)的目標(biāo)在于允許研宄器官在某些刺激下如何工作并作用，并且測試化學(xué)化 合物或組合物對于特定器官或其群組的作用并且研宄此類化合物或組合物的藥代動力學(xué) 行為。具體地說，關(guān)于化學(xué)化合物的安全性測試，需要替代物來替換動物實(shí)驗(yàn)并且產(chǎn)生更容 易用于有效且可靠地預(yù)測人的安全性的數(shù)據(jù)。這種體外3D培養(yǎng)系統(tǒng)的質(zhì)量將取決于其盡 可能接近地反映對應(yīng)器官或類器官的生理功能和環(huán)境的能力。如果這些器官并不被視為是 分開的獨(dú)立對象，但是如果盡可能接近地模擬在一個有機(jī)體中不同器官之間相互作用的復(fù) 雜性，則可以實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。為了能夠產(chǎn)生有意義的數(shù)據(jù)，需要培養(yǎng)系統(tǒng)長時間保持穩(wěn)定。然 而，目前已知的大部分已知3D培養(yǎng)系統(tǒng)僅反映一種細(xì)胞類型或僅模擬一種類型的器官或 類器官。僅在最近描述了考慮到多器官并且允許動態(tài)培養(yǎng)這些多器官的3D培養(yǎng)系統(tǒng)。
[0002] 在W02009/146911 A2中，提供了一種器官芯片（organ-on-a-chip)裝置。此器官 芯片裝置被設(shè)計(jì)為獨(dú)立的且傳感器控制的。該裝置允許以小型芯片格式建立或維持器官或 類器官以及干細(xì)胞生態(tài)位。該器官芯片裝置可以包括許多器官生長區(qū)段，這些器官生長區(qū) 段包括一個器官或類器官、一個培養(yǎng)基原料儲罐以及一個培養(yǎng)基廢物儲罐，它們彼此功能 性地連接以使得這些器官生長區(qū)段的器官或類器官可以用來自培養(yǎng)基原料儲罐的培養(yǎng)基 進(jìn)料并且可以通過培養(yǎng)基廢物儲罐處置降解產(chǎn)物和廢物。盡管此模型允許在一個芯片上同 時培養(yǎng)多于一個器官，但是此裝置不允許該芯片上的不同器官之間相互作用和串?dāng)_。此外， 此裝置并不反映在長時間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)系統(tǒng)的體內(nèi)平衡所需要的全部功能。
[0003] 在W0 2012/016711 A1中提出一種3D細(xì)胞培養(yǎng)模型，該模型包括一個或多個器官 生長區(qū)段、配置用于用營養(yǎng)物供應(yīng)器官生長區(qū)段中培養(yǎng)的器官或類器官的一個獨(dú)立循環(huán)系 統(tǒng)、以及收集來自器官生長區(qū)段的間質(zhì)液和降解產(chǎn)物的一個毛細(xì)管外流體或廢物收集器。 此系統(tǒng)允許同時培養(yǎng)多于一個器官并且模擬供應(yīng)并互連不同器官的一種血管系統(tǒng)。因此， 此系統(tǒng)允許該系統(tǒng)的器官或類器官之間的相互作用和串?dāng)_。然而，此裝置不能反映在長時 間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)系統(tǒng)的體內(nèi)平衡所需要的全部功能。
[0004] 發(fā)明概述
[0005] 本發(fā)明涉及一種模擬器官和/或有機(jī)體體內(nèi)平衡所需要的有機(jī)體基本功能的多 器官芯片裝置。本發(fā)明的多器官裝置被設(shè)計(jì)成反映模擬一種高等有機(jī)體的血液系統(tǒng)的一種 獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)供應(yīng)許多不同器官等效物。器官等效物被選擇并安排來使得食物供 應(yīng)、廢物去除和氧氣供應(yīng)這些基本功能得以表現(xiàn)并完全起作用以便在長時間段內(nèi)維持器官 等效物的體內(nèi)平衡。
[0006] 提供一種多器官芯片裝置，該裝置包括：
[0007] - -個基底層；
[0008] -安排在該基底層上的一個器官層；
[0009] -安排在該器官層上的一個竇層（antra layer);以及
[0010] --個致動器層；
[0011] 其中
[0012] -該基底層被配置用于為其他層提供一個固體支撐；
[0013] -該器官層被配置成包括：
[0014] 許多單獨(dú)的器官等效物，每個器官等效物包括一個或多個器官生長區(qū)段，每個器 官生長區(qū)段被配置成包括用于容納一個器官的至少一個類器官的一個類器官空腔并且包 括用于該器官生長區(qū)段的該類器官空腔與一個獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)之間的流體連通的一個微型 入口和一個微型出口，其中該器官層包括被配置用于分別代表器官肺、小腸、脾、胰腺、肝、 腎以及骨髓的至少一個器官等效物，以及
[0015] 一個獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)被配置成通過該器官生長區(qū)段的微型入口和微型出口 與器官層的器官生長區(qū)段處于直接流體連通；
[0016] _該竇層被配置成包括許多空腔和管，這些空腔和管被安排成與選擇的器官等效 物或器官生長區(qū)段處于流體連通以便允許空腔與器官生長區(qū)段之間的流體交換；并且
[0017] -該致動器層被配置成包括許多致動器，這些致動器被安排并配置用于調(diào)節(jié)施加 于一個選擇的器官等效物、該獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)和/或其部分的一個壓力。
[0018] 本發(fā)明的其他詳情和優(yōu)選實(shí)施例在以下說明書和權(quán)利要求書中定義。
[0019] 發(fā)明詳細(xì)說明
[0020] 在下文中更詳細(xì)地描述本發(fā)明。除非另有指定，否則在此使用的所有技術(shù)和科學(xué) 術(shù)語具有與本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員通常所理解的相同的意義。如果一個第一層或物體指定位 于一個第二層或物體之上，則該第一層或物體可以直接位于該第二層或物體之上或者在該 第一層或物體與該第二層或物體之間可以存在另一個層或物體。
[0021] 本發(fā)明的多器官芯片裝置由具有不同功能的多個層組成。該多器官芯片包括一個 基底層、一個器官層、任選一個器官固定器層、一個竇層以及一個致動器層。
[0022] 該基底層被配置用于為其他層提供一個固體支撐，以使得該多器官芯片裝置可以 被容易地處理并操控。優(yōu)選地，所述基底層是由一種透明材料制成。這具有以下優(yōu)點(diǎn)：該器 官層是從底側(cè)光學(xué)可接近的，并且因此允許在培養(yǎng)過程中通過顯微鏡，例如通過2光子顯 微鏡觀察器官生長區(qū)段中的類器官。由于該基底層是由透明材料制成，所以該器官層是從 底部可接近的并且允許用于局部間質(zhì)pH測量的熒光比率成像、間隙p0 2的磷光淬滅顯微鏡 檢查以及檢測生理應(yīng)激的紅外光譜法。
[0023] 用于基底層的優(yōu)選材料包括玻璃和光學(xué)透明合成聚合物，例如聚苯乙烯（PS)、聚 碳酸酯（PC)、聚硅氧烷和/或聚二甲硅氧烷（PDMS)。
[0024] 為了監(jiān)控該裝置的狀態(tài)并且允許控制培養(yǎng)類器官，基底層可以包括一個或多個傳 感器，這一個或多個傳感器被配置并安排用于測量從器官等效物、器官生長區(qū)段和/或獨(dú) 立循環(huán)系統(tǒng)中的一種或多種發(fā)射的信號和/或?qū)⑿盘杺鬏斨疗鞴俚刃铩⑵鞴偕L區(qū)段和 /或獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)中的一種或多種。使用表現(xiàn)出高靈敏度的傳感器以便允許甚至在小樣品 體積上進(jìn)行準(zhǔn)確測量。優(yōu)選地，該基底層包括用于人有機(jī)體體內(nèi)平衡的主要參數(shù)的傳感器， 這些參數(shù)如類器官或細(xì)胞活力、溫度、pH、體液平衡、壓力、流量、氧壓或氧消耗、營養(yǎng)消耗、 流體吸附、腸液分泌、白蛋白、膽汁合成、尿素分泌、離子平衡、重量摩爾滲透壓濃度以及電 耦合?？梢允褂玫膫鞲衅靼ǖ幌抻冢簆H傳感器、p0 2傳感器、分析物捕獲傳感器、電導(dǎo)率 傳感器、等離子體共振傳感器、溫度傳感器、〇)2傳感器、NO傳感器、趨化性傳感器、細(xì)胞因子 傳感器、離子傳感器、壓力傳感器、電勢傳感器、電流傳感器、流通式傳感器、填充式傳感器、 阻抗傳感器、電磁場傳感器、表面聲波傳感器、以及代謝傳感器。優(yōu)選地，基底層包括至少以 下一組傳感器：
[0025] -配置并且定位用于測量器官層的獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)的流體中的口02的2個p02傳感 器，優(yōu)選地一個P〇 2傳感器位于小動脈運(yùn)輸通道下在小動脈運(yùn)輸通道的肺等效物源點(diǎn)附近 并且一個？02傳感器位于小靜脈運(yùn)輸通道下在小靜脈運(yùn)輸通道的肺等效物源點(diǎn)附近；
[0026] -鑒定獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)中的泄漏的4個經(jīng)上皮/經(jīng)內(nèi)皮電阻（TEER)傳感器（如果兩 個TEER傳感器之間的電阻是0,則可能有泄漏），優(yōu)選兩個TEER傳感器位于獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng) 中，例如一個TEER傳感器位于小動脈運(yùn)輸通道的肺等效物源點(diǎn)附近并且一個TEER傳感器 位于小動脈運(yùn)輸通道的最遠(yuǎn)離肺等效物源點(diǎn)的末端處，兩個TEER傳感器被配置并且定位 于肝等效物，任選地可以存在兩個另外的TEER傳感器，它們被配置并且定位在皮膚或腸等 效物中，所有這些傳感器一起監(jiān)控細(xì)胞屏障如器官與血流之間的上皮或內(nèi)皮屏障的功能；
[0027] -與生物神經(jīng)元神經(jīng)節(jié)耦合的電傳感器，這些傳感器被配置并且定位成與器官等 效物中的此類神經(jīng)節(jié)接觸。
[0028] 本發(fā)明的多器官芯片裝置包括位于基底層之上的一個器官層。該器官層被配置成 包括許多單獨(dú)的器官等效物