CN109913372A - 一种活体组织的培养系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种活体组织的微流控芯片在线培养方法与系统，包括将活体组织切片放置于透气性聚合物基板上，并浸没在保护液中；通过对准装置观察，将所述活体取样器的取样管移动到所述活体组织切片的待切割部位，切割所述活体组织切片，得到活体组织样品；将所述活体组织样品吸入所述取样管中，然后转移至微流控芯片装置的培养腔室中；通过进液口向所述培养腔室内注入组织培养液，对所述活体组织样品进行培养。进一步地，通过在组织培养液中加入药物等刺激因素，使用质谱等手段检测组织的代谢物。本发明的方法和系统能在保持活体组织原始活性的前提下，将活体组织植入微流控芯片通道，实现活体嘴直水平的代谢物分析。
Description
技术领域
本发明属于组织培养及研究技术领域，涉及一种活体组织的培养系统及方法。
背景技术
微流控技术已成为细胞培养的重要工具。该技术易于结合多种仪器，如质谱、毛细管电泳、液相色谱等。微流控芯片上的细胞培养及组织构建已成为细胞研究、生物分析、药物筛选等的重要工具。微流控芯片技术已经成为药物分析、环境检测、细胞分子机制、细胞信号转到、复杂样品分析的重要平台。
当前采用的微流控芯片上的组织构建，主要是依赖于生物材料包裹细胞来构建不同细胞的物理位置。进而，实现组织的三维构建和培养。基于海藻酸钠、聚乙二烯、明胶等生物材料的组织及器官构建已取得了重要进展。但是我们也注意到，生物体中的活体组织是一个复杂的环境，包含几种乃至几十种细胞。除此之外，还包含大量细胞间质。在微流控芯片上构建的三维细胞组织远远没有达到仿真生物体内环境的程度。可预测地，未来一段时间也很难实现如此复杂环境的构建。基于此，我们认为直接将活体组织植入到微流控芯片中培养将是一种革新式的技术，能为生物医学分析带来重大的影响。因此，构建活体组织的微流控培养方法至关重要。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于微流体技术的活体组织培养方法及系统。本发明的方法和系统能在保持组织活性的情况下，取出待分析的区域组织。该技术能够将取出的活体组织快速植入到微流控芯片的培养腔室中，实现连续培养、药物代谢、及代谢物在线检测。
为达到本发明的目的，本发明一方面提供了一种活体组织的培养系统，包括：
操纵平台，其包括载物台，所述载物台上承载有活体组织切片；
位于所述操纵平台上方的活体组织取样器，用于切割所述活体组织切片得到活体组织样品；
位于所述载物台上的微流控芯片装置，用于培养所述活体组织样品。
根据本发明的一些实施方式，所述操纵平台包括：
位于所述载物台上表面的透气性聚合物基板，用于盛装保护液和活体组织切片；
设置于所述载物台下方的对准装置，用于对所述活体组织切片进行观察和定位。
根据本发明的优选实施方式，所述透气性聚合物基板的材质包括聚二甲氧基硅氧烷、聚丙烯酸、聚乙烯等，优选为聚二甲基硅氧烷；优选为培养皿形状。
根据本发明的优选实施方式，所述对准装置设置于所述载物台下方，包括显微镜物镜。
根据本发明的一些实施方式，所述活体组织取样器包括：
用于切割活体组织切片的刚性管；
与所述刚性管的上端相连的聚合物芯片通道，用于提供保护液及控制刚性管内压强；
用于控制刚性管内压强的压力控制器；
用于固定所述活体组织取样器的固定支架。
根据本发明的优选实施方式，所述聚合物芯片通道为Y字型通道，其中一个通道连接载有保护液的注入装置，优选注射器，用于提供保护液；另一个通道连接压力控制器及保护装置，用于控制刚性管内压强；再一个通道连接所述刚性管。
通过Y字型通道的一个通道使所述刚性管内充满保护液，将其末端移动到活体组织切片的待切割区域，通过向下移动实现活体组织的切割。之后，通过压力控制器减小刚性管内的压强，将切割的活体组织剥离并抽回到刚性管中。
根据本发明的优选实施例，所述刚性管底端管壁较薄，可切割活体组织，所用材质包括不锈钢、玻璃、聚合物。
根据本发明的优选实施方式，所述刚性管的末端内径为20微米到2厘米，优选为100微米，长度为1-50厘米，优选为5厘米。
根据本发明的优选实施例，所述保护液为组织培养液、酸碱缓冲液。
根据本发明的一些实施方式，所述微流控芯片装置上设置有至少一个微流控通道单元，所述微流控通道单元包括：
开设在所述微流控芯片装置上表面的培养腔室，其用于培养所述活体组织样品；
开设在所述微流控芯片装置上表面的进液口，其通过第一通道与所述培养腔室连通；
开设在所述微流控芯片装置下表面的出液口，其通过第二通道与所述培养腔室连通；
位于所述微流控通道单元内的储液槽，用于储存培养所述活体组织样品得到的代谢物。
根据本发明的优选实施方式，所述培养腔室向所述微流控芯片装置内凹陷10-500微米，优选50微米，其位于所述微流控芯片装置上表面的开口为正方形、圆形或多边形。
根据本发明的优选实施方式，所述微流控通道单元的宽度为20-2000微米，优选为100微米，通道高度为1-500微米，优选为100微米。
根据本发明的优选实施方式，所述微流控芯片装置的材质优选为聚二甲氧基硅氧烷。
根据本发明的优选实施方式，所述储液槽向所述微流控芯片装置内凹陷10-500微米，其上方开有取样口，用于吸取代谢物。
所述储液槽位于所述第二通道内，用于储存培养所述活体组织样品得到的代谢物。
根据本发明的一些实施方式，所述系统还包括用于收集培养所述活体组织样品得到的代谢物并对其进行检测的检测装置。
根据本发明的优选实施方式，所述检测装置包括取样针，用于从储液槽中吸取代谢物并送至检测仪器。
根据本发明的优选实施方式，所述检测仪器包括质谱等。
根据本发明的另一个方面，提供了一种使用上述系统培养活体组织的方法，包括如下步骤：
将活体组织切片放置于透气性聚合物基板上；
利用所述活体取样器切割所述活体组织切片，得到活体组织样品；
将所述活体组织样品转移到微流控芯片装置中进行培养。
根据本发明的一些实施方式，所述方法包括如下步骤：
将活体组织切片放置于透气性聚合物基板上，并浸没在保护液中；
通过对准装置观察，将所述活体取样器的取样管移动到所述活体组织切片的待切割部位，使所述取样管中充满保护液；
利用所述活体取样器的取样管切割所述活体组织切片，得到活体组织样品；
将所述活体组织样品吸入所述取样管中，然后转移至微流控芯片装置的培养腔室中；
通过进液口向所述培养腔室内注入组织培养液，对所述活体组织样品进行培养。
根据本发明的优选实施方式，所述方法还包括如下步骤：
通过取样针吸取储液槽内的代谢物，然后送至检测仪器内进行检测。
根据本发明，所述组织切片包括植物切片、动物切片和人体组织切片中的至少一种。
根据本发明的优选实施例，所述活体组织切片的厚度为10-500微米，优选为50微米。
本发明的工作过程和工作原理如下：
载物台上放置有透气性聚合物基板及附在上面的活体组织切片，切片浸没在保护液中；通过对准装置观察，调整载物台和移动装置以使活体组织取样器的刚性管末端靠近活体组织的带切割部位；从与刚性管相连的聚合物芯片的左侧通道通入保护液，并充满刚性管；调整移动装置，下移活体取样器，使刚性管末端压入活体组织切片，完成切割；进一步地，启动压力控制器，减小刚性管中的压强，将切割的活体组织区域吸入刚性管中，抬起活体组织取样器；移动载物台，将上面的微流控芯片的活体组织培养腔室对准活体取样器末端；下移活体取样器，使其末端刺入微流控芯片上层通道壁，通过压力控制器提高刚性管内的压强，将活体组织压出刚性管，落入微流控芯片的活体组织培养腔室中；抬起活体取样器，聚合物芯片的通道壁因自身弹性可自行恢复通道壁密封性；从微流控通道的进液口持续注入组织培养液，实现活体组织的培养；代谢物溶液会流入储液槽中，通过取样针吸取储液槽中的待测液，转移到质谱等仪器检测。
本发明的优点和有益技术效果如下：
(1)本发明能够在保持活体组织的原始活性的情况下对组织样品的目标区域进行取样。
(2)本发明的活体组织取样器中充满保护液，活体组织样品也浸没在保护液中，最大程度的维持了活体组织的原始活性。
(3)本发明能够实现活体组织直接植入微流控芯片，进行流动性培养及代谢组学分析。
附图说明
图1为根据本发明实施例的活体组织的培养系统结构示意图；
图2为根据本发明实施例的活体组织取样器取出活体组织切片示意图；
图3为根据本发明实施例的微流控芯片装置结构示意图；
图4为根据本发明实施例的微流控芯片上的单个通道横切面示意图及活体组织样品植入操作。
附图标记说明：1、聚合物芯片；2、刚性管；3、聚合物芯片第一通道；4、聚合物芯片第二通道；5、聚合物芯片第三通道；6、第一连接管；7、第二连接管；8、压力控制器保护装置；9、第三连接管；10、活体组织样品；11、透气性聚合物基板；12、保护液；13、对准装置；14、活体组织样品；15、微流控通道单元；16、进液口；17、第一连接通道；18、培养腔室；19、第二连接通道；20、储液槽；21、出液口；22、取样针。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
如图1所示，本发明活体组织的培养系统包括：操纵平台、活体组织取样器、微流控芯片装置和检测装置。
其中，操纵平台包括载物台、透气性聚合物基板11和对准装置13；载物台用于承载透气性聚合物基板11和微流控芯片装置，透气性聚合物基板11位于载物台上表面，其内盛装有保护液12和活体组织切片10，对准装置13位于载物台下方，用于对所述活体组织切片进行观察和定位。
活体组织取样器包括聚合物芯片1、刚性管2、聚合物芯片通道、压力控制器和固定支架；聚合物芯片通道为Y字型通道，分别为第一通道3、第二通道4和第三通道5；聚合物芯片的材质优选为聚二甲氧基硅氧烷，通道3、4、5的宽度优选为100微米，高度优选为100微米，长度优选为2厘米；刚性管2的材质优选为不锈钢，内径优选为100微米，长度优选为5厘米；第一通道3与刚性管2相连，第二通道4与第一连接管6相连，第一连接管6与充满保护液的注射器(图中未出示)相连，注射器由注射泵控制(图中未出示)，第三通道5与第二连接管7相连，第二连接管7与压力控制器保护装置8及压力控制器相连；通过注射泵控制将注射器中的保护液注入并充满刚性管4，保护液优选为组织培养液，通过压力控制器控制通道内的压强。
微流控芯片装置上设置有至少一个微流控通道单元15，微流控通道单元15包括进液口16、第一连接通道17、培养腔室18、第二连接通道19、储液槽20、出液口21；进液口16和培养腔室18通过第一连接通道17连接，培养腔室18和出液口21通过第二连接通道19连接，储液槽20位于第二连接通道内。
活体组织切片10放置于透气性聚合物基板11上，基板11中盛有保护液12，优选为组织培养液；通过对准装置13观察活体组织样品12及刚性管的位置，移动载物台使活体组织样品10位于刚性管2的下端；通过位置控制器(图中未出示)下移活体组织提取器，将刚性管2的末端压入活体组织样品10，完成切割；之后通过与第三通道5相连的压力控制器保护装置8及压力控制器(图中未出示)，降低刚性管2内的压强，将切割的活体组织样品区域14吸入刚性管2中，升起活体组织提取器。
移动载物台，将微流控芯片15的活体组织培养腔室18对准活体取样器末端2；下移活体取样器，使其刚性管2末端刺入微流控芯片上层通道壁，通过压力控制器提高刚性管2内的压强，将活体组织14压出刚性管，落入微流控芯片15的活体组织培养腔室18中；抬起活体取样器，聚合物芯片的通道壁因自身弹性可自行恢复通道壁密封性；从微流控通道的溶液注入口16持续注入组织培养液，实现活体组织的培养；代谢物溶液会流入储液槽20中，通过取样针22吸取储液槽中的待测液，转移到质谱等仪器检测。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
Claims (10)
1.一种活体组织的培养系统，包括：
操纵平台，其包括载物台，所述载物台用于承载活体组织切片；
位于所述操纵平台上方的活体组织取样器，用于切割所述活体组织切片得到活体组织样品；
位于所述载物台上的微流控芯片装置，用于培养所述活体组织样品。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述操纵平台还包括：
位于所述载物台上表面的透气性聚合物基板，用于盛装保护液和活体组织切片；
设置于所述载物台下方的对准装置，用于对所述活体组织切片进行观察和定位。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述活体组织取样器包括：
用于切割活体组织切片的刚性管；
与所述刚性管的上端相连的聚合物芯片通道，用于提供保护液及控制刚性管内压强；
用于控制刚性管内压强的压力控制器；
用于固定所述活体组织取样器的固定支架。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的系统，其特征在于，所述聚合物芯片通道为Y字型通道，其中一个通道连接载有保护液注入装置，用于提供保护液；另一个通道连接压力控制器及保护装置，用于控制刚性管内压强；再一个通道连接所述刚性管。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的系统，其特征在于，所述微流控芯片装置上设置有至少一个微流控通道单元，所述微流控通道单元包括：
开设在所述微流控芯片装置上表面的培养腔室，其用于培养所述活体组织样品；
开设在所述微流控芯片装置上表面的进液口，其通过第一通道与所述培养腔室连通；
开设在所述微流控芯片装置下表面的出液口，其通过第二通道与所述培养腔室连通；
位于所述微流控通道单元内的储液槽，用于储存培养所述活体组织样品得到的代谢物。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于收集培养所述活体组织样品得到的代谢物并对其进行检测的检测装置，优选所述检测装置包括取样针。
7.一种使用权利要求1-6中任意一项所述的系统培养活体组织的方法，包括如下步骤：
将活体组织切片放置于透气性聚合物基板上；
利用所述活体取样器切割所述活体组织切片，得到活体组织样品；
将所述活体组织样品转移到微流控芯片装置中进行培养。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将活体组织切片放置于透气性聚合物基板上，并浸没在保护液中；
通过对准装置观察，将所述活体取样器的取样管移动到所述活体组织切片的待切割部位，使所述取样管中充满保护液；
利用所述活体取样器的取样管切割所述活体组织切片，得到活体组织样品；
将所述活体组织样品吸入所述取样管中，然后转移至微流控芯片装置的培养腔室中；
通过进液口向所述培养腔室内注入组织培养液，对所述活体组织样品进行培养。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
通过取样针吸取储液槽内的代谢物，然后送至检测仪器内进行检测。
10.根据权利要求7-9中任意一项所述的方法，其特征在于，所述组织切片包括植物切片、动物切片和人体组织切片中的至少一种。
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