将微流控细胞培养满足其期待已久的潜力?

有史以来的第一篇论文发表在微流控细胞培养是19岁¹。微流控细胞培养已经长大萌芽阶段,即将其青少年时期生存。它已经成熟不少,但仍需要从学术界到诊所和行业。它会来的年龄吗?

微流控细胞培养的诞生

到1980年代末,生物学家开始受益于微电子取得了进步和精密加工通过将细胞小,研究在二维微架构对细胞生长的影响²。十年后,越来越多的组织理解精密加工技术提供的潜在控制体外细胞分布。然而这些体外模型仅由一个细胞类型。第一个转折点是在科学家集中他们的努力促进培养不同的细胞类型^1、3,实现精密加工”将使我们能够精确控制和信息交互的利益”。科学家们意识到这些微电脑系统不仅可以“为研究组织架构的功能意义在单个细胞的决议”³发展中组织的替代品,还帮助组织工程或筛查有毒化合物⁴。

微流控细胞培养来生活当细胞第一次操纵和培养通过微流体通道¹;起初,这是用来micro-pattern多个细胞类型,每个模型包括在单独的通道。这也物化第二个转折点,当时意识到“少量的液体的处理和交付是一个关键的一部分,许多物理、化学和生物过程”¹。科学家们认识到,在微观层次上创建和控制流的能力是可以利用多促进细胞缩微成像。在几年之内,组流用于微流体系统研究复杂的梯度细胞的影响⁵、细胞运输和粘附在动态流⁶,跨膜运输的分子⁷或与亚细胞提供小分子精度⁸。并行、微流体传动装置、阀门和传感器集成使小型化和加速实验的努力发展实验室芯片。微流体首次承诺步骤到生物学领域⁹。

微流控细胞培养已经进入了大联盟

从那时起,微流体模型已经成为生物学研究的组织建模的主要工具。“我们在科学方面取得了非常好的进展;我们可以创建复杂的组织如结构。”穆罕默德教授说碳粉从哈佛医学院麻省总医院的先驱之一微流控细胞培养。的确,微流体模型允许科学家创建组织如模型与无与伦比的生理意义。特别是“相对轻松地制造这些设备导致organ-on-chip迅速发展的领域研究”博士说克里斯蒂娜•哈斯博士后研究员研究体外血管生成在麻省理工学院,指PDMS的使用作为一种廉价的和易于使用的材料制造微流体设备。

Organs-on-chips细胞模型由不同的细胞培养在微流控芯片模拟器官微架构和重建器官体外的关键功能。这使得它们独特的代理人对人类,和独一无二的候选人取代动物模型的使用。除了减少使用动物伦理原因,这些organs-on-chips设想帮助药物发现与当前的瓶颈。目前,9的药物在老鼠不工作¹⁰,主要是因为目前的临床前模型未能忠实地概括人类药物反应¹¹。希望改进的生理相关性organs-on-chips将增加他们的预测能力,加速药物发现和降低大量成本目前与开发新药物,估计为26亿美元¹²。结果,大量的出版物已经为微流体模型的肺、心脏、肾脏和肝脏中¹³。

Organs-on-chips被用于许多应用程序:最利用已经解开机制的疾病,如癌症¹⁴,或者测试药物。最近,团体甚至结合几个器官在同一芯片上¹⁵模仿一个更系统性和忠实的药物反应^16、17。注意organs-on-chips并不是唯一的微流控细胞培养的应用程序,但它是一种应用于细胞培养的微流体方面明显优于传统方法¹⁸。也是最感兴趣的一个应用程序产生,因为它被认为填补一个重要空白在临床前模型来提高药物测试效率。其他有趣的微流控细胞培养的应用探索,发现生物标志物等疾病¹⁹临床诊断,研究发育生物学^20.或再生医学²¹或3 d封装细胞移植²²。也有研究兴趣进行2 d细胞培养在微流控芯片加速和规范台式程序,如干细胞分化²³。

微流控细胞培养出版物稳步增长在过去的20年里,背叛一个狂热的学术兴趣为探索尽可能多的应用程序可以提供的这项技术。问题是:这些应用程序的学术领域,成为临床上实现,或这是炒作吗?

这是一个炒作吗?

微流控技术实际上经历了一个炒作周期像其他新兴技术²⁴Gartner公司的名字命名,介绍了模型在1995年。在这个模型中一个幻灭的波谷翘首以望的顶峰,为微流体技术发生在1990年代。事实上,微流体不应被认为是解决一切。但在2009年,贝克说,微流体经历启蒙的斜率是因为人们“终于意识到技术能够解决某些问题,传统技术不能”,据Mukhopadhyay博士²⁵。

在细胞培养时,这的确是现在建立了微流体模型保持传统优势宏观体外模型和动物模型。最值得注意的是,微流体模型使更精确控制细胞和生物化学微环境比传统的体外模型²⁶。这是因为细胞可以区分的用户定义的微观结构,从而使细胞的分布是控制在生理长度尺度。也方便了微环境控制通道的存在:这些允许建立复杂的和持续的生物化学或物理梯度²⁷生物力学因素的控制,如剪切应力和细胞的确切交货或试剂在测定。此外,微流体模型支持高分辨率成像,这是很困难的在动物和体外宏观系统。成像复杂的细胞微流控模型使得研究人员观察的细节罕见的事件,很难捕捉到体内,如癌症转移的具体步骤²⁸。最后,微流体模型比传统的宏观需要更少的试剂和细胞体外系统。虽然微流控技术有一些固有的局限性,这些众多的好处现在清楚科学界。是什么,然后,从衔接与行业之间的差距吗?

时间离开学术巢吗?

到目前为止,这是预测,微流控技术将达到高原的生产力²⁵,采用主流开始起飞。作为微流控细胞培养而言,学术采用无疑成为广泛但工业翻译缓慢。

毫不奇怪,阻力的主要来源之一源于微流控细胞培养是与传统的细胞培养,墨粉教授指出,“已经优化了一个世纪;这是一个黄金标准是杰出的和难以克服的”。的确,人们采用很难改变,特别是在新的解决方案被认为是更加昂贵和繁琐,微流体可以被认为比传统的细胞培养。虽然微流体技术有潜力成为更高的吞吐量和省钱的长期传统的细胞培养或动物模型相比,前期成本设置可以是一个可怕的投资。制造微流体芯片现在可以相对便宜;通常它需要从2 d到3 d文化增加了相关费用。的确,微流控细胞培养可以通过2 d,但其主要景点之一在于创建复杂的3 d模型,墨粉教授说,“它是非常昂贵的切换到3 d”。根据他的说法,激励这投资”,需要有更多的数据来证明药物应该在3 d和2 d测试”。虽然一些研究已经出版^29、30可以做更多的工作,说服更多的观众的需要切换到3 d细胞培养,和使用微流体设备。另一方面,他说,“人们不会使用更复杂的设备,除非它的数据他们之前找不到”。这与之前的警告^18日,25,声称微流控细胞培养领域需要关注应用程序不能在常规细胞培养更广泛的采用。hasse还博士指出,“工程师需要进一步合作与生物学家为了在最大程度上利用微流体模型。”

然而,即使对“杀手级应用”等采用organs-on-chips似乎有一些延迟。一些限制显然是技术和后勤:例如,博士hasse还强调“一个障碍预防临床适应微流控技术的高技能人才往往需要开发和操作系统。”她还指出,PDMS可以问题为“它吸收小分子,不能用于研究任何长期(天)药物的相互作用”。然而这些问题将和正在慢慢工作,例如新的聚合物^31日正在开发或热塑性设备被用来代替PDMS芯片。另一个问题存在,相关商业模式与微流控细胞培养相关的企业。毕竟,“维持生活是复杂的东西,更别说卖生活产品”托纳教授指出。一些模仿inc .等公司正在通过学术和工业合作所面临的挑战;其他类似的目标生物技术公司卖现成的模块化芯片实验室科学家充满细胞。

尽管人们可能会停留在这些限制,持续的学术突破承诺提供足够的激励克服它们。目前,该领域的主要精力投入到发展3 d使用细胞来自患者个性化的细胞模型^32、33。这些可能成为小型化身来测试药物对患者个体的独特效果,促进个性化医疗产生极大的兴趣³⁴。这是很难,但根据•哈斯博士主要是因为“它是一个挑战收获病人获得足够大的细胞和细胞卷一起工作”。因此,实现微流控细胞培养中的一些局限性在诊所没有固有的微流控技术和需要其他领域的进步。许多团体也致力于提高片上形成血管³⁵组织,改善生理相关性和长期生存在体外。根据•哈斯博士掌握体外血管化也将“毫无疑问影响药物测试,考虑到循环系统是主要的运输机制”。最后,一些工作正在向实现片上可以检测专用³⁶这样可以搜集和分析数据和快速地从微流控芯片。这需要更积极地追求,微流控技术可以成为真正的高吞吐量和全方位的药物发现过程。

结论

我们可以肯定的一件事:微流控系统已经完成了大量的细胞培养,尤其对改善生理相关性和给予前所未有的动力三维细胞培养。微流控细胞培养已经证明了其价值,但需要做出更多的努力离开舒适的学术家,做了那么多去培养它。事实上,似乎有学术界和产业界之间的脱节^18日,25典型的其他领域,发表论文的压力驱动”某些学者来做下一个大的事情;需要倾听客户的声音”,墨粉教授指出。换句话说,许多学术研究使得微流控细胞培养的技术;可能是公司而不是找到市场,把技术。公司也可以更好的鼓励集中精力提高设备设计和制造的实用角度可能半途而废的在学术界,和微流控细胞培养适应强大的工业工作流不能那么吹毛求疵的经常发现在学术实验室²⁵。无论如何,在微流体领域准备离开学术窝不会断绝关系:可能是时候学会学术界以外的市场,同时保持紧密联系。毕竟,谁说应该独自进入成年?

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