近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷成熟，細(xì)胞研究的熱度在國(guó)內(nèi)整體呈現(xiàn)出一個(gè)不斷上升的趨勢(shì)，而細(xì)胞研究的一個(gè)前提就是細(xì)胞培養(yǎng)。

我們都知道，細(xì)胞培養(yǎng)需要一定的環(huán)境，于是我們使用了CO₂培養(yǎng)箱，模擬了一個(gè)CO₂和一個(gè)可以恒定的溫度的環(huán)境，但是往往我們也忽略了一些其他的問(wèn)題，對(duì)于各種不同的細(xì)胞，所處的環(huán)境也各有不同，包括力學(xué)、電生理學(xué)、化學(xué)等等。

與體內(nèi)研究相比，體外研究具有許多優(yōu)勢(shì)，例如

（1）更嚴(yán)格地控制化學(xué)和物理環(huán)境

（2）更便宜

（3）更快

（4）需要的動(dòng)物更少。

然而，分離和培養(yǎng)的原代細(xì)胞與生物體中相應(yīng)的細(xì)胞類(lèi)型不同，限制了體外數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)體內(nèi)行為的價(jià)值。這種分歧的一個(gè)主要原因是體外實(shí)驗(yàn)不能復(fù)制生物體內(nèi)細(xì)胞的力學(xué)和電生理學(xué)環(huán)境。

接下來(lái)要介紹的就是一款可以同時(shí)模擬體內(nèi)力學(xué)、電生理學(xué)環(huán)境，并且可以實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析和觀察成像的系統(tǒng)。

來(lái)自美國(guó)Bmseed的MEASSURE 系統(tǒng)，MEASSURE 系統(tǒng)通過(guò)在體外受控環(huán)境中復(fù)制體內(nèi)細(xì)胞的力學(xué)和電生理學(xué)環(huán)境解決了這一技術(shù)難點(diǎn)。

細(xì)胞力-電耦合刺激培養(yǎng)電生理信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)觀察成像系統(tǒng)，整合細(xì)胞力學(xué)、電生理和成像信息采集分析多合一解決方案

系統(tǒng)包括三個(gè)模塊：

一、力學(xué)模塊 可對(duì)細(xì)胞進(jìn)行牽張刺激加載 支持不同的拉伸刺激模式 可快速?zèng)_擊損傷拉伸或周期性拉伸 連續(xù)可調(diào)的牽張率和頻率 可自定義應(yīng)變場(chǎng) 高應(yīng)變 高應(yīng)變率 高重復(fù)性 可定制微圖案拉伸 可實(shí)時(shí)生成應(yīng)變曲線 可以偶聯(lián)成像和電生理模塊 可在培養(yǎng)箱中使用
二、電生理模塊 細(xì)胞電刺激 電生理活動(dòng)記錄 阻抗測(cè)量 偶聯(lián)力學(xué)模塊進(jìn)行： 細(xì)胞拉伸前、中、后的電生理信息檢測(cè)分析比較 評(píng)估細(xì)胞健康和成熟度
三、高分辨率成像模塊 拉伸之前、期間和之后成像 定制，易于使用的軟件可獨(dú)立測(cè)量組織應(yīng)變 拉伸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中活細(xì)胞的光學(xué)成像 高幀率和分辨率，可以進(jìn)行熒光成像 2MP分辨率下每秒高達(dá)2,000幀 可集成力學(xué)與成像模塊 高幀率和分辨率 可以偶聯(lián)電生理模塊以完善MEASSuRE系統(tǒng) 多種相機(jī)可選

力學(xué)模塊的功能是提供生長(zhǎng)在微電極陣列上的細(xì)胞在機(jī)械應(yīng)力下的不同軸向的機(jī)械拉伸應(yīng)變，可選不同的型號(hào)以達(dá)到正常生理拉伸培養(yǎng)的低應(yīng)變，或者可以達(dá)到損傷培養(yǎng)的更高的應(yīng)變，同時(shí)擁有可控的應(yīng)變、應(yīng)變率和應(yīng)變速率，并且，機(jī)械拉伸單元擁有自檢功能，比如說(shuō)我設(shè)置膜的應(yīng)變程度，那么這個(gè)設(shè)備究竟有沒(méi)有達(dá)到我設(shè)置的那個(gè)值？

電生理模塊的功能是提供來(lái)自微電極陣列上的細(xì)胞電生理信號(hào)的測(cè)量（比如：動(dòng)作電位、場(chǎng)電位、電阻抗的測(cè)量等），以通過(guò)測(cè)量這些數(shù)據(jù)，來(lái)評(píng)估細(xì)胞的功能和健康狀態(tài)，并且可以進(jìn)行多通道的電刺激，以觀察細(xì)胞在各種不同外界環(huán)境下產(chǎn)生的不同的反應(yīng)。

成像模塊允許我們?cè)诶爝\(yùn)動(dòng)的期間，進(jìn)行對(duì)細(xì)胞的實(shí)時(shí)觀察以及成像，然后量化數(shù)據(jù)，包括后期對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一些驗(yàn)證，比如說(shuō)：我們?cè)O(shè)置了一個(gè)拉伸的參數(shù)，然而，這個(gè)細(xì)胞的拉伸程度究竟有沒(méi)有達(dá)到我設(shè)置的那個(gè)拉伸的數(shù)值？ 

三個(gè)模塊相互獨(dú)立，每個(gè)模塊都可以單獨(dú)使用，但這三個(gè)模塊又都是可以靈活組合的，這就解決了一些我們?cè)诓糠猪?xiàng)目中可能經(jīng)費(fèi)不足的問(wèn)題，我們可以前期以?xún)?yōu)惠的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)單獨(dú)的模塊，后期根據(jù)實(shí)際的經(jīng)費(fèi)情況來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)不同模塊的組合添加來(lái)完善我們的設(shè)備。

了解完系統(tǒng)的組成和功能以后，我們?cè)賮?lái)講一講該系統(tǒng)在不同方向的各種應(yīng)用。

組織工程

當(dāng)細(xì)胞在分化過(guò)程中受到應(yīng)力刺激和電刺激時(shí)，分化成特定組織的SC細(xì)胞具有更接近成人組織的特性。MEASSURE 系統(tǒng)能夠同時(shí)提供電刺激和應(yīng)力刺激。

藥物研發(fā)、毒性測(cè)試

由在應(yīng)力刺激和電刺激下分化的SC細(xì)胞生長(zhǎng)的組織更能代表成年人各自的器官。因此，制藥公司進(jìn)行藥物毒性測(cè)試的有效性也隨之增加了。

生物力學(xué)應(yīng)用

有多種機(jī)制可以在神經(jīng)元和其他細(xì)胞類(lèi)型中轉(zhuǎn)導(dǎo)和感知機(jī)械應(yīng)力。

神經(jīng)外傷研究與治療

MEASSURE 系統(tǒng)允許在受控環(huán)境中可靠且重復(fù)地再現(xiàn) TBI 和 SCI 的生物力學(xué)。通過(guò)將損傷后的細(xì)胞電生理信息與受傷前的水平進(jìn)行比較，可以使用嵌入式微電極以直接的方式評(píng)估受損傷的神經(jīng)元的電生理學(xué)變化。因此，可以很容易地評(píng)估藥物或其他治療策略以大限度地減少受傷后損害的有效性。

腦震蕩研究

MEASSURE 系統(tǒng)將允許研究人員和醫(yī)生開(kāi)發(fā)改進(jìn)的腦震蕩方案，這些方案基于潛在損傷的電生理學(xué)而不是認(rèn)知測(cè)試。

肌肉損傷研究與治療

MEASSURE 系統(tǒng)將允許調(diào)查由過(guò)度張力或壓力引起的肌肉損傷的機(jī)制，并評(píng)估藥物以加速恢復(fù)。

SC細(xì)胞修復(fù)研究機(jī)制

SC細(xì)胞參與身體不同部位受傷后的修復(fù)過(guò)程，例如創(chuàng)傷性腦損傷后的大腦。機(jī)械感受器的激活機(jī)制尚不清楚。MEASSURE 系統(tǒng)將成為闡明和研究這種機(jī)制的有用工具。

神經(jīng)退行性疾病研究

阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病與 TBI 有共同的病理途徑，例如淀粉樣斑塊的積聚。因此，MEASsuRE 系統(tǒng)可能是早期評(píng)估候選藥物對(duì)阿爾茨海默病療效的有價(jià)值的工具。

臨床前藥物篩選

失敗的方法：基于目標(biāo)的高通量篩選 (HTS)，原因往往是：先導(dǎo)發(fā)現(xiàn)基于針對(duì)分子靶點(diǎn)的活性、目標(biāo)必須是已知的、理論往往是錯(cuò)誤的、不太可能發(fā)現(xiàn)通過(guò)新的生物學(xué)機(jī)制起作用的化合物。

更好的方法：使用器官切片或分離細(xì)胞培養(yǎng)物進(jìn)行功能篩選、直接評(píng)估感興趣組織的神經(jīng)保護(hù)特性、不需要知道目標(biāo)、通過(guò)電生理測(cè)量直接評(píng)估細(xì)微的細(xì)胞功能、損傷后到損傷前水平的正?；?nèi)置的內(nèi)部損傷控制。

神經(jīng)保護(hù)化合物的功能性的藥物篩選

MEASSURE 系統(tǒng)在創(chuàng)傷性腦損傷 (TBI) 藥物發(fā)現(xiàn)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)

·    基于電生理組織對(duì)拉伸（損傷）的反應(yīng)篩選導(dǎo)聯(lián)

·    無(wú)需知道目標(biāo)

·    尋找新的生物學(xué)機(jī)制

·    在臨床前開(kāi)發(fā)早期消除候選藥物

·    避免拒絕潛在的候選藥物

·    通過(guò)減少體內(nèi)測(cè)試的數(shù)量來(lái)節(jié)省時(shí)間、金錢(qián)和研究動(dòng)物

BMSEED的目標(biāo)是進(jìn)一步加強(qiáng)MEASSuRE系統(tǒng)，以減少藥物研發(fā)過(guò)程中使用的動(dòng)物數(shù)量，同時(shí)，提高臨床前藥物開(kāi)發(fā)過(guò)程的效率和效果。成功的關(guān)鍵是提高人類(lèi)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSCs）衍生的線狀特異性細(xì)胞的分化、成熟和維持的可重復(fù)性。hiPSCs衍生的細(xì)胞在生物醫(yī)學(xué)的不同領(lǐng)域，如疾病建模、再生療法和個(gè)性化醫(yī)療，有著巨大的前景。這些領(lǐng)域的具體應(yīng)用包括：器官芯片（OoC）、藥物篩選和細(xì)胞替代療法。盡管在這些領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，但hiPSC分化、維持和成熟的可重復(fù)性和效率并不能滿(mǎn)足轉(zhuǎn)化為臨床的要求。

目前hiPSCs的分化方案通常是基于使用藥物、小分子和定制的培養(yǎng)基對(duì)發(fā)育途徑進(jìn)行化學(xué)調(diào)節(jié)。然而，從這些方案中得到的細(xì)胞呈現(xiàn)出不成熟的特征，更多反映的是胚胎階段而不是成人細(xì)胞和組織。這些缺陷削弱了hiPSC衍生的細(xì)胞在藥物篩選和OoC應(yīng)用中的有效性，并限制了它們?cè)谔囟ㄖ委煈?yīng)用中的適用性。導(dǎo)致hiPSC衍生系與體內(nèi)對(duì)應(yīng)系的表型和功能差異的一個(gè)主要原因是分化環(huán)境中缺乏生物物理（即電生理或生物力學(xué)）線索（特別是在心臟中），而這是調(diào)節(jié)體內(nèi)原始組織平衡的關(guān)鍵因素。例如：

Nunes等人證明，與未受刺激的對(duì)照組相比，對(duì)hiPSCs的電刺激改善了心肌細(xì)胞（CM）的結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)了肌纖維的成熟，并增強(qiáng)了電生理特性。

Tulloch等人證明，與未拉伸的對(duì)照組相比，循環(huán)機(jī)械拉伸hESCs促進(jìn)心肌細(xì)胞分化產(chǎn)量和基質(zhì)纖維排列增加2倍，心肌細(xì)胞肥大增加2.2倍，增殖率增加21%。這些安裝證據(jù)表明，從干細(xì)胞分化出來(lái)的心肌細(xì)胞在添加了電或機(jī)械刺激后，更能代表成人心肌內(nèi)的原始表型。

BMSEED初的重點(diǎn)是由hiPSCs衍生的心肌細(xì)胞，因?yàn)樗鼘?duì)心血管疾病的建模和治療有潛在的影響。近的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，心臟疾病占全球所有死亡人數(shù)的30%，直接醫(yī)療費(fèi)用總額達(dá)3180億美元。

BMSEED這個(gè)項(xiàng)目的完成將對(duì)心血管疾病的技術(shù)開(kāi)發(fā)、生物發(fā)現(xiàn)和臨床治療產(chǎn)生重大影響。期望電和應(yīng)力刺激對(duì)hiPSCs的分化和hiPSC衍生的心肌細(xì)胞（hiPSC-CMs）的成熟的影響會(huì)導(dǎo)致協(xié)議的明顯改善，因?yàn)樵诿看涡奶鴷r(shí)心肌都會(huì)有相當(dāng)大的收縮，與神經(jīng)元或其他沒(méi)有電生理活性的細(xì)胞相比，肌肉細(xì)胞中的細(xì)胞外電壓很大。

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