CN112143650A - 一种用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置及其应用方法，属于细胞生物力学技术领域，其包括培养盒和压力控制装置；培养盒具有培养腔且培养腔上部活动连接有盒盖，培养腔内装有至少一个培养板，培养板上设置有多个用于容纳培养基和包埋有肿瘤干细胞的凝胶球的孔位；压力控制装置包括气管、微调针阀、安全阀及压力表，压力控制装置通过四通连接件的第一端与盒盖连接并与培养腔连通，气管与四通连接件的第二端连接，安全阀与四通连接件的第三端连接，压力表与四通连接件的第四端连接，微调针阀设置在气管上。本发明可同时载入多个不同基质刚度的凝胶球样品，具有基质刚度的并行测试功能，能够对压力等参数进行调控，性能稳定、操作简单。

Description

一种用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置及其应用方法
技术领域
本发明涉及细胞生物力学技术领域，具体涉及一种用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置及其应用方法。
背景技术
癌症，又称恶性肿瘤，是一种具高致死率的疾病。研究发现，肿瘤干细胞在肿瘤迁移、复发和药物耐受中起着重要作用。肿瘤干细胞是一类具有高干细胞特性的肿瘤细胞群，具有自我更新、分化和耐药能力，在肿瘤发生发展中起着决定性的作用。近年来，越来越多的研究指向对肿瘤干细胞与其肿瘤微环境的相互作用的研究，通过改变细胞所处的肿瘤微环境，探究其对肿瘤干细胞生物学行为的影响。理解肿瘤微环境与肿瘤干细胞生物学效应的关系为靶向治疗癌症提供了新的视角。
力学信号在肿瘤微环境中扮演着重要角色，肿瘤微环境中的力学信号变化包括：生长诱导的固体应力、增加的基质刚度、较高的流体压力和增加的组织间隙流量等。生物力学微环境的这些变化促进了肿瘤的发生和肿瘤细胞的入侵，并诱导基质细胞(如成纤维细胞，免疫细胞和内皮细胞)改变行为并促进癌症进展。尽管由癌症引起的力学变化是众多的，但肿瘤尤其具有三个特征：由肿瘤生长产生的固体应力，组织刚度增加以及异常的组织液环境。肿瘤干细胞生存在一个复杂的应力刺激微环境中，压应力会影响到肿瘤的治疗和肿瘤细胞的转移。
明胶水凝胶是一种多孔径的三维立体支架，可以为细胞的粘附提供附着点。相较于以往的培养方式，肿瘤干细胞的三维培养更有利于维持其形态和功能。并且，可以通过调节明胶水凝胶的硬度，模拟病变时期细胞外基质硬度对肿瘤干细胞的影响。
因此，十分有必要研发一种简单可靠的研究装置来试验探讨梯度级压应力和基质刚度单独或者协同作用对肿瘤干细胞生物学行为的影响及作用机制，以便于对肿瘤干细胞作进一步研究，为探索癌症疾病的治疗方法奠定理论基础。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置，该压应力加载装置可同时载入多个凝胶球样品，具有不同基质刚度的并行测试功能，能够对压力大小、频率、持续时间等参数进行调控，性能稳定、操作简单。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置，其包括培养盒和压力控制装置；所述培养盒具有培养腔且培养腔上部活动连接有盒盖，培养腔内装有至少一个培养板，所述培养板上设置有多个用于容纳培养基和包埋有肿瘤干细胞的凝胶球的孔位；所述压力控制装置包括气管、微调针阀、安全阀及压力表，所述压力控制装置通过四通连接件的第一端与盒盖连接并与培养腔连通，所述气管与四通连接件的第二端连接，所述安全阀与四通连接件的第三端连接，所述压力表与四通连接件的第四端连接，所述微调针阀设置在气管上，以控制气体的进出。
作为本发明优选的实施方式，所述盒盖与培养盒之间设置有硅胶密封圈。
作为本发明优选的实施方式，所述硅胶密封圈通过螺丝固定在盒盖上。
作为本发明优选的实施方式，所述盒盖为透明的有机玻璃盒盖。
作为本发明优选的实施方式，所述培养板为六孔板。
作为本发明优选的实施方式，所述培养盒为不锈钢盒体。
本发明还提供了如上所述的用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置的应用方法，其包括以下步骤：
S1、制备包埋有肿瘤干细胞且具有不同基质刚度的多种凝胶球，备用；
S2、向培养板的孔位中注入细胞培养液，将步骤S1制得的凝胶球按照基质刚度的不同分别置于培养板的不同孔位中；
S3、将装有凝胶球和细胞培养液的培养板置于培养盒的培养腔内，关闭盒盖并使培养盒完全密封；将空压机与压应力加载装置的气管连接，检查气密性后向培养盒内输送气体，直至培养盒内的气压达到预设值，关闭微调针阀以停止进气，将压应力加载装置转移至恒温箱进行培养；
S4、通过显微镜观察片上凝胶球内肿瘤干细胞的细胞生物学行为。
作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1具体包括以下步骤：
a.根据所需的基质刚度计算明胶的用量；将明胶加入到PBS溶剂中，50～60℃下水浴锅加热溶解，边加热边搅拌，并趁热过滤除菌；将转谷氨酰胺酶溶于PBS溶剂中，配成浓度为10％的转谷氨酰胺酶溶液，过滤除菌；
b.按照明胶溶液：转谷氨酰胺酶＝1:50的体积比，向明胶溶液中加入转谷氨酰胺酶溶液，混合均匀，得到酶交联明胶混合液；
c.将肿瘤干细胞加入到步骤b的酶交联明胶混合液中并混匀，用注射器将其注入冰的矿物油中，待凝固即得包埋有肿瘤干细胞的凝胶球。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明所提供的压应力加载装置通过设置有多个孔位的培养板可同时载入多个凝胶球样品，既可以单独进行不同压应力下的凝胶球内肿瘤干细胞生物学行为检测和评估，又可以通过调节包埋有肿瘤干细胞的凝胶球的基质刚度，同时检测和评估不同压应力和不同基质刚度的共同作用下肿瘤干细胞的生物学行为，因此本发明具有不同基质刚度和不同压应力的并行测试功能，同时能够对压力大小、频率、持续时间等参数进行调控，结构合理、性能稳定、操作简单。
附图说明
图1为本发明所述的压应力加载装置的结构示意图；
图2为本发明所述的培养板的结构示意图；
附图标号说明：1、培养盒；2、盒盖；3、培养板；4、压力控制装置；5、四通连接件；6、气管；7、微调针阀；8、安全阀；9、压力表；10、硅胶密封圈；11、凝胶球。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明所提供的用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置包括用于培养细胞的培养盒1和提供不同压应力的压力控制装置4。
具体地，培养盒1具有培养腔，且培养腔的上部盖合有盒盖2，盒盖2可以是活动连接在培养盒1上，也可以是采用螺丝等连接件与培养盒1可拆卸连接；盒盖2的中央位置设置有用于连接压力控制装置4的连接孔。优选地，盒盖2为透明的有机玻璃盒盖2，既保证了结构强度又便于观察细胞的培养情况；培养盒1为不锈钢盒体，结构强度好、便于消毒杀菌。进一步地，为了提高装置的气密性，盒盖2与培养盒1之间设置有硅胶密封圈10，实现完全密封，以保证压应力加载装置的密封性和不透气性；优选地，硅胶密封圈10通过螺丝固定在盒盖2上。培养腔内装有至少一个培养板3，培养板3上设置有多个孔位，每个孔位内容纳有培养基和包埋有肿瘤干细胞的凝胶球11。培养腔内的培养板3数量可以根据实际需求选择，一般可以放置12个培养板3，这样既能尽可能地增加样本数又能保证装置的体积较小，便于移动。
具体地，压力控制装置4包括气管6、微调针阀7、安全阀8及压力表9。压力控制装置4通过一四通连接件5的第一端与盒盖2连接并与培养腔连通，气管6的一端与四通连接件5的第二端连接、另一端与空压机连接，安全阀8与四通连接件5的第三端连接，压力表9与四通连接件5的第四端连接，微调针阀7设置在气管6上，以控制气体的进出。优选地，安全阀8为0.05MPa安全阀8，其能够控制培养腔内的压力不超过规定值，超压可通过安全阀8自动泄压，能够很好地保证了人身安全和设备运行的稳定性；压力表9为25kPa指针压力表9，可以通过压力表9实时观察到培养腔内的气压值。
本发明的压应力加载装置在使用时，将气管6连接外部空压机，通过微调针阀7调控气体进入培养腔的速度，通过压力表9和安全阀8超压自动泄压从而精确监测培养腔内气压值的大小，当气压值达到了预设值，关闭微调针阀7，拔除气管6，便可将整个装置移入恒温箱中进行细胞培养。
上述用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置的应用方法包括以下步骤：
S1、制备包埋有肿瘤干细胞且具有不同基质刚度的多种凝胶球11，备用；其具体包括以下步骤：
a.根据所需的基质刚度计算明胶的用量；将明胶加入到PBS溶剂中，50～60℃下水浴锅加热溶解，边加热边搅拌，并趁热用0.22um的过滤器过滤除菌；将转谷氨酰胺酶溶于PBS溶剂中，配成浓度为10％的转谷氨酰胺酶溶液，用0.22um的过滤器过滤除菌；
b.按照明胶溶液：转谷氨酰胺酶＝1:50的体积比，向明胶溶液中加入转谷氨酰胺酶溶液，混合均匀，得到酶交联明胶混合液；
c.将肿瘤干细胞加入到步骤b的酶交联明胶混合液中并混匀，用注射器将其注入冰的矿物油中，待凝固即得包埋有肿瘤干细胞的凝胶球11。
S2、向培养板3的孔位中注入细胞培养液，将步骤S1制得的凝胶球11按照基质刚度的不同分别置于培养板3的不同孔位中；
S3、将装有凝胶球11和细胞培养液的培养板3置于培养盒1的培养腔内，关闭盒盖2并使培养盒1完全密封；将空压机与压应力加载装置的气管6连接，检查气密性后向培养盒1内输送气体，直至培养盒1内的气压达到预设值，关闭微调针阀7以停止进气，将压应力加载装置转移至恒温箱进行培养，保证细胞所处环境的温度为37℃；
S4、通过显微镜观察片上凝胶球11内肿瘤干细胞的细胞行为。
由上述应用方法可见，本发明既可以单独进行不同压应力下的凝胶球11内肿瘤干细胞生物学行为检测和评估，又可以单独进行不同基质刚度下的凝胶球11内肿瘤干细胞生物学行为检测和评估，也可以同时检测和评估不同压应力和不同基质刚度的共同作用下肿瘤干细胞的生物学行为，因此本发明具有不同基质刚度和不同压应力的并行测试功能，同时能够对压力大小、频率、持续时间等参数进行调控，结构合理、性能稳定、操作简单。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置，其特征在于：包括培养盒和压力控制装置；所述培养盒具有培养腔且培养腔上部活动连接有盒盖，培养腔内装有至少一个培养板，所述培养板上设置有多个用于容纳培养基和包埋有肿瘤干细胞的凝胶球的孔位；所述压力控制装置包括气管、微调针阀、安全阀及压力表，所述压力控制装置通过四通连接件的第一端与盒盖连接并与培养腔连通，所述气管与四通连接件的第二端连接，所述安全阀与四通连接件的第三端连接，所述压力表与四通连接件的第四端连接，所述微调针阀设置在气管上，以控制气体的进出。
2.根据权利要求1所述的用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置，其特征在于：所述盒盖与培养盒之间设置有硅胶密封圈。
3.根据权利要求2所述的用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置，其特征在于：所述硅胶密封圈通过螺丝固定在盒盖上。
4.根据权利要求1或2所述的用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置，其特征在于：所述盒盖为透明的有机玻璃盒盖。
5.根据权利要求1或2所述的用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置，其特征在于：所述培养板为六孔板。
6.根据权利要求1或2所述的用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置，其特征在于：所述培养盒为不锈钢盒体。
7.如权利要求1～6中任一项所述的用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置的应用方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、制备包埋有肿瘤干细胞且具有不同基质刚度的多种凝胶球，备用；
S2、向培养板的孔位中注入细胞培养液，将步骤S1制得的凝胶球按照基质刚度的不同分别置于培养板的不同孔位中；
S3、将装有凝胶球和细胞培养液的培养板置于培养盒的培养腔内，关闭盒盖并使培养盒完全密封；将空压机与压应力加载装置的气管连接，检查气密性后向培养盒内输送气体，直至培养盒内的气压达到预设值，关闭微调针阀以停止进气，将压应力加载装置转移至恒温箱进行培养；
S4、通过显微镜观察片上凝胶球内肿瘤干细胞的细胞生物学行为。
8.根据权利要求7所述的用于肿瘤干细胞培养的压应力加载装置的应用方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：
a.根据所需的基质刚度计算明胶的用量；将明胶加入到PBS溶剂中，50～60℃下水浴锅加热溶解，边加热边搅拌，并趁热过滤除菌；将转谷氨酰胺酶溶于PBS溶剂中，配成浓度为10％的转谷氨酰胺酶溶液，过滤除菌；
b.按照明胶溶液：转谷氨酰胺酶＝1:50的体积比，向明胶溶液中加入转谷氨酰胺酶溶液，混合均匀，得到酶交联明胶混合液；
c.将肿瘤干细胞加入到步骤b的酶交联明胶混合液中并混匀，用注射器将其注入冰的矿物油中，待凝固即得包埋有肿瘤干细胞的凝胶球。
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