CN101942389A

CN101942389A - 用于体外细胞共培养的力学加载流动腔装置

Info

Publication number: CN101942389A
Application number: CN2010102933679A
Authority: CN
Inventors: 樊瑜波; 孙联文; 杨肖; 蒲放; 贡向辉
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2011-01-12

Abstract

本发明提供了一种体外细胞共培养力学加载流动腔装置，包括：上流动腔；下流动腔；置于上和下流动腔之间的可渗透膜，用于把所述上和下流动腔分隔开来，可渗透膜的上下两表面可接种两种不同的细胞；通过第一流道与上流动腔相连通的第一灌流系统；通过第二流道与下流动腔相连通的第二灌流系统。本发明中，可渗透膜的微孔允许共培养的两种细胞通过突触直接实现胞间连结，并且使互相渗透的上下两腔内灌流液保持渗流平衡，达到细胞因子垂直扩散。上下两腔可对膜两侧细胞分别施加流体剪切应力，可实现两种细胞在线共培养的同时分别施加剪切应力。本发明可在同一环境下体外共培养两种不同细胞，同时对两种细胞施加不同模式双剪切应力的流动腔装置。

Description

用于体外细胞共培养的力学加载流动腔装置

技术领域

本发明涉及生物力学工程研究领域，尤其涉及一种能够对两种细胞进行共培养且对两种细胞加载两种独立剪切应力的流动腔装置。

背景技术

生物力学作为一门新兴的交叉领域学科，越来越受到学界的重视，流动腔也作为一种力学加载装置被广泛应用于体外流动环境中的细胞力学研究中。最初的稳定流流动腔是由Frangos、Eskin等人设计(Eskin SG，Ives C L，Mcintire LV，et al.Response of cultured endothelial cells to steady flow[J].Microvasc Res，1984，28：87-94；Frangos JA，Eskin SG，Mcintire LV，et al.Flow effect on prostacyclin production by cultured human endothelial cues[J].Science，1985，227：1477-1479.)，早期研究当中，科学家所使用的流动腔均为这种单流道平行平板流动腔。

近十几年来，普通的单流道平行平板流动腔已不能完全满足实验的需要，各种用于不同实验需求的流动腔开始出现。如美国乔治亚工学院生物力学实验室Helmlinger G等人设计的脉动流输入式流动腔(Helmlinger G，Geiger RV，Schreck S，et al.Efects of pulsatile flow on cultured vascular endothelial cell morphology[J].ASME J Biomech Engr，1991，113：123-131.)、中国科学院力学研究所钱民全等人改进的体外细胞培养平行圆板流动腔(中国专利申请号：01231650.4)及体外细胞培养装置中的非平行平板流动腔(中国专利申请号：01231652.0)。但这类流动腔仍然为单流道流动腔，仅能满足体外培养一种细胞的要求。

随着应用基础科学的不断深入发展，为更好的研究细胞的代谢途径，业界越来越重视不同种细胞系在同一环境下共培养时之间的相互影响，例如内皮细胞与肌细胞的共培养(Agelikie G，Vouyouka，Lifeng Lin，et al.Pressure and endothelial coculture upregulate myocytic Fas-FasL pathway and induce apoptosis by way of direct and paracrine mechanisms[J].The American Journal of Surgery，2005，190：780-786.)，因此共培养流动腔装置也逐渐被科学家们所重视，并出现多种形式。目前可用于细胞共培养的流动腔例如：Rainger等人设计的共培养流动腔(G.Ed Rainger，Philip Stone，Clare MM，et al.A novel system for investigating the ability of smooth muscle cells and fibroblasts to regulate adhesion of flowing leukocytes to endothelial cells[J].Journal of Immunological Methods，2001，255：73-82.)，以及Ciofani等人设计的动态培养双腔室(Gianni C，Antonio M，Vittoria R，et al.Bicompartmental device for dynamic cell coculture：design，realisation and preliminary results[J].Journal of Bioscience and Bioengineering，2008，105(5)：536-544.)等。

上述几种流动腔仅能实现细胞的共培养而不可施加剪切应力，或仅针对共培养中的一种细胞施加剪应力，不能实现在细胞共培养同时对两种细胞独立施加力学刺激，不适用于目前多视角细胞生物力学的研究，具有科研局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于体外细胞用于体外细胞共培养的力学加载流动腔装置。

本发明的目的是这样实现的：体外细胞共培养力学加载流动腔，包括可渗透膜、上下双层流动腔以及两套独立灌流系统。

可渗透膜置于双层流动腔上下两个流动腔之间，作为两个流动腔的分割界。同时，在可渗透膜的上下两表面接种两种不同的细胞，细胞通过渗透膜上微孔可直接实现胞间连结。此外，可渗透膜在两流动腔液体流动时还可保持渗流平衡。通过可渗透膜，可实现体外同一环境共培养两种不同细胞，研究细胞之间的相互作用。

双层流动腔可为共培养的两种细胞提供独立的流体剪切应力，实现使两种细胞在共培养期间可受到不同方式或方向剪切应力同时加载的目的。根据本发明的一个实施例，由两个独立灌流系统为双层流动腔的两个流动腔分别提供流动培养液。根据力学加载需要，可在两个流动腔内施加恒流、脉动和/或振动剪切应力，同时由于灌流系统相对独立，可实现不同方向的液流流动。

各灌流系统分别带有独立的蠕动泵，蠕动泵可手动或计算机控制，为双层流动腔的两个流动腔分别提供独立的力学加载动力，从而保证对剪切应力大小的控制、实现不同剪切应力施加方式以及控制双向或同向液流方向。

根据本发明的一个实施例的流动腔装置，通过灌流系统的连接设置，当细胞处于不受剪切应力作用的静置培养环境中时，双层流动腔的两个流动腔内均充满培养液，可使细胞因子通过可渗透膜在两腔培养液中垂直弥散，或通过膜上微孔细胞相互连接，以达到共培养目的。当两种细胞受剪切力作用时，可渗透膜可使两个流动腔内的流动液体保持渗流平衡，并且实现两种不同的剪切应力加载，达到共培养同时多种在线剪切应力的加载。

根据本发明的一个方面，提供了一种体外细胞共培养力学加载流动腔装置，其特征在于包括：

上流动腔，

下流动腔，

置于上和下流动腔之间的可渗透膜，所述可渗透膜把所述上和下流动腔分隔开来；其中，可渗透膜的上下两表面可接种两种不同的细胞。

根据本发明的一个进一步的方面，上述体外细胞共培养力学加载流动腔装置进一步包括：

通过一个第一流道与所述上流动腔相连通的一个第一灌流系统；

通过一个第二流道与所述下流动腔相连通的一个第二灌流系统。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果包括：

1、可渗透膜的微孔允许共培养的两种细胞通过突触直接实现胞间连结，并且使互相渗透的上下两腔内灌流液保持渗流平衡，达到细胞因子垂直扩散。

2、可在上下两腔内对膜两侧接种的不同细胞分别施加流体剪切应力，可实现对在线共培养的两种细胞同时分别施加剪切应力。

3、提供剪切应力的灌流动力系统相对独立，可实现不同模式剪切应力加载及液体双向或同向流动等不同加载方式对细胞的同时作用。

本发明提供了一种可在同一环境下体外共培养两种不同细胞，同时对两种细胞施加不同模式双剪切应力的流动腔装置。本发明可用于研究探索两种不同细胞间的相互作用，模拟人体生理环境内细胞相互联系及受力情况，具有创新性及较大的科研推广和应用前景。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的双向独立剪切应力装置的双流道力学加载流动腔的结构及实施示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的同向独立剪切应力装置的双流道力学加载流动腔的结构及实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进行说明。

平行平板流动腔中，剪切力、循环液流量、循环液粘度和流动腔尺寸大小的关系为：τ＝6μQF/WH²。

F取决于流动腔宽高比(W/H)，当W/H＞＞1时，F≈1。其中τ为流动腔底面剪应力(dyn/cm²)；μ为灌流液粘度(dyn·s/cm²)；Q为流量(cm³/s)；W为流动腔宽度(cm)；H为流动腔高度(cm)。在根据本发明的一个实施例的系统中，培养基含有10％FBS，灌流液粘度μ为动力粘度，取值0.013dyn·s/cm²。实验中两流动腔尺寸均为W＝3cm，H＝0.05cm。当剪应力τ＝15dyn/cm²时，Q＝τWH²/6μF≈1.4423cm³/s。

雷诺数Re是反映流体流动特征的无量纲数.表示惯性力与黏性力之比：Re＝VHρ/μ。其中V为腔内流体平均流速(cm/s)，ρ为循环液密度(g/cm³)，取为1g/cm³。在腔体入口处的平均流速V＝Q/(WH)＝9.6cm/s，在本发明实验条件下，Re＝37.满足层流流动“低雷诺数”的要求，即Re＜临界雷诺数2000。在系统工作时，流动腔内不会出现湍流等复杂液流环境，符合培养细胞所需的剪切应力条件。

如图1所示，根据本发明的一个实施例的用于体外细胞可渗透膜共培养的双流道力学加载流动腔装置包括上下两个流动腔2和6，可渗透膜4被置于两流动腔之间，作为流动腔2和6的分割界。可渗透膜4的上下两表面可接种两种不同的细胞3和5，两种细胞3和5能够通过可渗透膜4上的微孔而直接产生胞间连结，相互传递生物信号；同时可渗透膜4还使上下两腔内的液体在流动时能够相互渗透，保持腔体之间的渗流平衡，使释放至两腔培养液2和6内的信号分子经由可渗透膜4进行上下纵向交换。分别与培养液2和6相连通的流道1和7分别连接两套灌流系统，这两套灌流系统可提供不同方向、方式(恒流、脉动和/或振动等等)及流速的液流，液体通过两流道1和7分别流入上下两流动腔2和6，从而在流动腔2和6内产生两种不同模式的流体剪切应力，这两种流体剪切应力分别作用于可渗透膜4上下两面上接种的细胞3和5，达到对不同细胞同时加载不同力学刺激的效果，同时实现体外同一环境共培养两种不同细胞，研究细胞之间的相互作用。

按图1所示，根据本发明的一个实施例的流动腔装置和分别用标号I、II表示的两套灌流系统被置于CO₂恒温培养箱201中，由各自的蠕动泵211、221从灌流瓶212、222中泵出细胞培养液，分流入两个流动腔2、6内，对可渗透膜4两侧的两种细胞3和5分别加载恒定流体剪切应力(诸如15dyn/cm²)，灌流系统I为膜下层细胞提供剪切力，其应力方向在图中从左至右，该实施例中灌流系统I为封闭式，培养液循环回流于灌流瓶212；灌流系统II为上层细胞提供剪切力，其应力方向从右至左，该实施例中灌流系统II开放，培养液不循环回流。灌流系统I、II的灌流瓶有气口连通CO₂恒温培养箱，保持整个系统处于5％CO₂细胞培养环境内。

两独立系统同时运行，使两种细胞3和5同时受到不同方向的恒定剪切应力作用，通过可渗透膜4上的微孔将感受到的力学刺激转化为生化信号互相传递，上下两腔2、6内液体流过细胞表面时通过腔体间的可渗透膜4达到渗流平衡。

图2所示为根据本发明的另一实施例的流动腔装置，该流动腔装置和它的两套灌流系统I、II被置于CO₂恒温培养箱201中，由各自的蠕动泵211、221分别从灌流瓶212、222中泵出细胞培养液，分别流入两流动腔2、6内，对可渗透膜4两侧接种的两种细胞3和5分别施加从右至左的应力，灌流系统I为膜下层细胞3提供脉动剪切力(诸如平均剪应力为15dyn/cm²的脉动剪切力)，由计算机控制蠕动泵221，控制液体脉动频率及幅度分别为9Hz和1.2dyn/cm²；图2所示的实施例中的灌流系统I开放，培养液不循环回流；灌流系统II为上层细胞5提供恒定流体剪切应力(诸如15dyn/cm²恒定流体剪切应力)，灌流系统II封闭，培养液循环回流于灌流瓶222。灌流系统I、II灌流瓶有气口连通CO₂恒温培养箱，保持整个系统处于5％CO₂细胞培养环境内。

两独立的灌流系统同时运行，使两种细胞3和5同时受到同方向不同模式的剪切应力作用，通过可渗透膜上微孔细胞将感受到的力学刺激转化为生化信号互相传递，上下两腔内液体流过细胞表面时通过腔体间可渗透膜达到渗流平衡。

在根据本发明的其他实施例中，两套灌流系统可设置为均封闭(即其中培养液循环回流于灌流瓶)，或设置为均开放(即其中培养液不循环回流)；此外，剪切应力的方式可设定为均为脉动流体剪切、均为恒定流体剪切或/和均为振动流体剪切，液流方向可根据不同需要变化。

应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。

Claims

1.一种体外细胞共培养力学加载流动腔装置，其特征在于包括：

上流动腔(2)，

下流动腔(6)，

置于上和下流动腔(2，6)之间的可渗透膜(4)，所述可渗透膜(4)把所述上和下流动腔(2，6)分隔开来；其中，可渗透膜(4)的上下两表面可接种两种不同的细胞(3，5)。

2.根据权利要求1的体外细胞共培养力学加载流动腔装置，其特征在于进一步包括：

通过一个第一流道(1)与所述上流动腔(2)相连通的一个第一灌流系统(I，221，222)；

通过一个第二流道(7)与所述下流动腔(6)相连通的一个第二灌流系统(II，211，212)。

3.根据权利要求2的体外细胞共培养力学加载流动腔装置，其特征在于：

所述第一和第二灌流系统是彼此独立的，可提供不同方向、方式及流速的液流，分别使液体通过所述第一流道(1)和所述第二流道(7)分别流入所述上流动腔(2)和下流动腔(6)，从而在所述上流动腔(2)和下流动腔(6)内产生不同模式的流体剪切应力，这两种模式的流体剪切应力可分别作用于可渗透膜(4)上下两面接种的所述两种不同的细胞(3，5)，从而实现同时对所述两种不同细胞(3，5)加载不同的力学刺激。

4.根据权利要求2或3的体外细胞共培养力学加载流动腔装置，其特征在于

所述第一和第二灌流系统各蠕动泵(211、221)和灌流瓶(212、222)，其中所述蠕动泵用于从所述灌流瓶中泵出细胞培养液，灌入所述流动腔(2、6)内

其中，所述细胞培养液的流路可以是封闭循环的，也可以是开放的。

5.根据权利要求3的体外细胞共培养力学加载流动腔装置，其特征在于：

所述可渗透膜(4)上的微孔可使所述两种不同的细胞(3，5)产生胞间连接，从而相互传递生物信号；

所述可渗透膜(4)可使所述上流动腔(2)和下流动腔(6)的液体在流动时相互渗透，保持所述上流动腔(2)和下流动腔(6)之间的渗流平衡，使释放至所述上流动腔(2)和下流动腔(6)内的信号分子经由可渗透膜(4)进行上下垂直交换。

6.根据权利要求1的体外细胞共培养力学加载流动腔装置，其特征在于：

所述体外细胞共培养力学加载流动腔装置适于被置于一个CO₂恒温培养箱(201)中。

7.根据权利要求3的体外细胞共培养力学加载流动腔装置，其特征在于：

所述第一和第二灌流系统提供的不同方向、方式及流速的液流包括恒流、脉动流和/或振动流等等。