CN116685672A - 一种用于存储或培养器官或组织模型的系统及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于存储或培养器官或组织模型的系统及其用途。所述系统被设计用于验证所收采的器官或组织模型的功能并允许对其进行处理。所述系统可用于培养从供体收采和/或使用其他技术,如使用3D和/或4D生物打印或静电纺丝技术制备的器官和/或组织模型,并且包括:用于所述器官或组织模型的室(2),其配备有用于测量和调节所述室中的灌注液的温度的装置;灌注液容器(1),其配备有用于测量和调节其中的灌注液的温度的装置;用于测量所述灌注液中的葡萄糖浓度并将葡萄糖按计量加入到所述灌注液中的装置(4);用于测量所述灌注液的pH并按计量加入用于调节所述灌注液的pH的物质的装置(3);用于非接触式混合所述灌注液的装置;以及用于测量和控制所述灌注液的流动参数的装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于存储或培养具有流动系统或脉管系统的器官或组织模型的系统及其用途。该系统被设计用于,包括但不限于,验证所收采的器官或组织模型的功能,并允许对其进行处理。该系统可用于培养从供体收采的和/或使用其他技术,如使用3D和/或4D生物打印和/或静电纺丝技术制备的器官或组织模型。该系统可用于流动培养不能在患者中收采或以其他方式处理的器官。术语“器官流动系统”涉及人工制备的器官,表示具有所形成的通道的系统。术语“器官脉管系统”表示从供体收采的或者人工制备的具有内皮细胞的脉管系统。术语“存储”涉及在减少新陈代谢时或在细胞定殖之前将器官或组织模型保持在低温。术语“培养”涉及在与体内条件相对应的正常体温环境中保持定殖有细胞的器官或组织模型。术语“组织模型”表示包含悬浮在生物材料中的活细胞的三维结构,其可能另外包含脉管系统。
背景技术
专利号US9756851B2公开了一种用于在植入前保持所收采的器官存活的组成、方法和装置。器官灌注(perfusion)装置包括用于存储器官的保存室。灌注回路设置有用于向器官供应氧合(oxygenated)液的第一管线和用于从器官排出用后液的第二管线。灌注装置还包括功能性连接到用于将器官保持在通常的正常体温的灌注电路的装置。此外,该装置包含用于控制灌注液的压力的装置、用于使至少一些所述液体氧合的氧合装置、过滤装置和用于控制至少一些所述液体流动的流动控制装置。
专利文献WO1996029865A1描述了一种器官灌注设备,其能够使用血液或其他携氧物质在接近正常的温度灌注器官。该设备允许使用对生理效率的在线测量来评估器官的活性。实施例使用计算机控制的血泵来表征灌注的生理条件。该设备包括允许补充损失的循环体积并且允许输注营养物、药物和灌注液组分的部件以帮助维持或再生器官。该设备还可以调节压力、pH和温度,自动测量尿液、胆汁、胰管分泌物或其他生理分泌物的产生速率,并确定血液或灌注液的流量、血管阻力和器官肿胀。
US2017339945A1公开了一种用于多器官灌注的设备,所述器官选自包括心脏、肝脏、肾脏和肺脏的组,所述设备包括基本单元,所述基本单元被配置为可拆卸地连接到用于器官灌注的灌注模块。该基本单元设置有:管路,其用于将灌注液源连接到器官,使得灌注液循环通过器官;第一泵和第二泵,其连接到所述管路以驱动灌注液在管路中循环;以及控制器,其被配置和连接为控制第一泵和第二泵,以控制灌注液循环通过器官。所述控制器可以根据基于器官类型选择的灌注参数来控制第一泵和第二泵,以进行器官灌注。
文献EP1879997A2公开了一种便携式器官灌注装置,其具有用于支持器官浸没在灌注液中的器官室。泵使灌注液围绕包含泵的回路、用于冷却灌注液的热交换器、用于使灌注液氧合的氧合器和用于确保向器官脉管系统恒定供应液体的装置循环。旁路通道提供液体连接,允许多余的液体绕过器官。该装置还包括氧源、传感器、电源和用于接收来自传感器的信息并向控制装置提供控制指令的控制单元。
正在寻求确保对维持正常体温条件、调节液体或控制pH进行有效控制以有效、更自动和准确地修复或培养器官和组织模型的解决方案。本发明的目的是提供合适的条件来培养和存储器官,所述器官从已故供体收采,如胰脏、肝脏、肾脏、肺脏、心脏、小肠、大肠、甲状腺、皮肤、大脑,或者使用其他技术来制备,例如使用3D和/或4D生物打印技术,如打印有脉管系统的组织模型。术语“仿生器官”涉及以3D和/或4D技术直接用细胞打印的组织模型以及单独的支架(脉管系统和组织模型),它们仅在之后定殖各自的细胞。术语“3D生物打印”涉及使用增材制造技术(逐层材料施加)形成包含活细胞的三维结构。在4D生物打印中,第四维度是时间,该技术产生材料带,这些材料带被形成为后期转化为先前定义的物体(形状)。
发明内容
在本发明的第一方面,提供一种用于存储或培养器官或组织模型的系统,所述器官或组织模型优选地从供体收采,优选地选自胰脏、肝脏、肾脏、肺脏、心脏、小肠、大肠、甲状腺、皮肤、大脑,或使用其他技术制备,优选地使用3D生物打印和/或4D生物打印和/或静电纺丝技术,优选为打印有流动系统或脉管系统的器官和/或组织模型的形式,所述系统包括:
-用于器官或组织模型的室,所述室配备有用于在所述系统操作期间测量和调节放置在所述室中的灌注液的温度的装置,其中用于测量和调节所述灌注液的温度的所述装置优选地包括水套,
-灌注液容器,其配备有用于在所述系统操作期间测量和调节所述容器中的灌注液的温度的装置,优选包括加热-冷却板,其中所述灌注液容器通过至少一条第一管线和至少一条第二管线与所述器官室连接,在操作期间所述灌注液能够通过所述第一管线从所述灌注液容器流到所述器官室,并且在操作期间所述灌注液能够通过所述第二管线从所述器官室流到所述灌注液容器,
-用于测量所述灌注液中的葡萄糖浓度并且用于将葡萄糖按计量加入到所述灌注液中的装置,
-用于测量所述灌注液的pH并且用于按计量加入用于调节所述灌注液的pH的物质的装置,
-用于非接触式混合所述灌注液的装置,
-用于测量和控制灌注液的流动参数的装置,所述流动参数包括以每单位时间的单位体积表示的灌注液压力和/或灌注液输出,
-任选地,用于测量和控制一个或多个参数的装置,所述参数选自:所述灌注液中的乳酸盐浓度、所述灌注液中的钠离子浓度、所述灌注液中的氯离子浓度、所述灌注液中的钾离子浓度、所述灌注液的氧合水平,其中所述系统被配置为在所述系统操作期间使所述灌注液在所述器官室和所述灌注液容器之间循环。
灌注液流输出表示以每单位时间的单位体积表示的灌注液流量。术语“器官室”表示适用于存储或培养器官或组织模型的室。
优选地,所述用于存储或培养器官或组织模型的系统包括系统控制装置,所述系统控制装置被配置和编程为获得至少一个参数的测量值,所述参数选自:所述器官室中的灌注液温度、所述灌注液容器中的灌注液温度、所述灌注液中的葡萄糖浓度、所述灌注液的pH、包括以每单位时间的单位体积表示的所述灌注液的压力和/或所述灌注液的输出在内的所述灌注液的流动参数、所述灌注液中的乳酸盐浓度、所述灌注液中的钠离子浓度、所述灌注液中的氯离子浓度和所述灌注液中的钾离子浓度、氧合,其中所述系统控制装置还被配置和编程为基于从所述器官室中的灌注液温度、所述灌注液容器中的灌注液温度、所述灌注液中的葡萄糖浓度、所述灌注液的pH、包括所述灌注液的压力和/或所述灌注液的输出在内的所述灌注液的流动参数、所述灌注液中的乳酸盐浓度、所述灌注液中的钠离子浓度、所述灌注液中的氯离子浓度和所述灌注液中的钾离子浓度、氧合中选择的至少一个参数的预定标准进行自动和/或手动调节。
优选地,所述用于存储或培养器官或组织模型的系统进一步包括用于测量和控制灌注液的氧合的装置和/或用于从所述灌注液中去除空气的装置,其中所述系统控制装置优选地被配置和编程为获得灌注液的氧合测量值并且基于预定标准自动和/或手动调节灌注液的氧合。
优选地,所述用于存储或培养器官或组织模型的系统进一步包括用于优选基于从所述系统去除的所述灌注液的重量的读数来测量所述灌注液的损失并补充所述灌注液的装置,其中所述系统控制装置优选地被配置和编程为基于预定标准自动和/或手动补充所述灌注液。
优选地,所述用于非接触式混合所述灌注液的装置被设置为用于摆动所述灌注液容器的摆动机构,其中所述系统控制装置优选地被配置和编程为自动和/或手动调节所述灌注液容器的摆动。
优选地,所述灌注液的氧合是利用氧合器进行的,所述氧合器在外围连接到所述灌注液容器以形成氧合器回路,并且所述用于混合所述灌注液的装置被设置为所述灌注液容器的圆柱形设计的形式,其中在所述系统操作期间,通过将所述氧合器回路的入口和出口设置在所述灌注液容器的相对侧,与所述灌注液容器的圆柱形壁相切,来混合所述灌注液。
优选地,所述系统包括用于取得所述灌注液的样本的装置。
优选地,所述器官室包括旋转机构,所述旋转机构允许所述器官室在所述系统操作期间旋转,其中所述系统控制装置优选地被配置和编程为自动和/或手动调节所述器官室的旋转,其中所述系统控制装置优选地被配置和编程为在至少两小时内使所述器官室每30分钟旋转180°,或者在至少两小时内至少分四次使所述器官室每15-60分钟旋转90°。
优选地,所述器官室和/或所述灌注液容器和/或所述用于测量和控制所述灌注液的氧合的装置具有用于在0至37℃范围内调节温度的装置。
优选地,所述系统进一步包括用于按计量加入药物和/或营养物和/或灌注液组分的附加装置,其中所述系统控制装置优选地被配置和编程为基于预定标准自动和/或手动按计量加入药物和/或营养物和/或灌注液组分。
优选地,通过安装在所述灌注液容器和所述器官室之间的所述第一管线上的气泡消除器从所述灌注液中去除空气,并且在所述系统操作期间通过至少一个泵,优选蠕动泵,执行所述灌注液在所述灌注液容器和所述器官室之间在任一方向上的移动。
在第二方面,提供根据本发明的系统用于存储和/或培养器官或组织模型的用途,所述器官或组织模型是从供体收采的,或者是通过其他技术,优选利用3D生物打印和/或4D生物打印和/或静电纺丝制备的。
优选地,根据本发明的系统用于培养3D生物打印的器官,其中优选地,在内皮细胞定殖脉管系统阶段使用所述旋转机构。
优选地,在存储和/或培养期间评估器官或组织模型的疾病的状态或发展。
优选地,在存储和/或培养期间分析生物活性物质对器官或组织模型的疾病的状态或发展的影响。
优选地,在存储和/或培养期间评估药物治疗和/或基因治疗对器官或组织模型的状态的疗效。
在培养期间将器官或组织模型保持在正常体温条件是至关重要的,因为它为器官或组织模式提供了与体内条件相对应的最佳代谢条件,这允许评估器官的状况。
用于培养所收采的器官的灌注液包含但不限于倾向于沉降的红细胞浓缩物。用于混合灌注液的非接触式装置的使用提供了灌注液中红细胞的均匀分布,所述非接触式装置优选地采用使灌注液容器摇摆的机构形式或者采用允许在该容器中引起涡流运动的容器配置的形式。此外,它允许保持流动系统无菌,并减轻使用其他类型的混合器时发生的对红细胞的机械损伤。灌注液的混合有助于均匀地加热灌注液并不断地混合液体的组分。
用于旋转器官室的旋转机构在培养通过3D生物打印技术制备的器官时使用而不受限制,并且在内皮细胞定殖在生物打印的脉管系统的阶段使用。优选地,旋转机构在至少两小时内使器官室每30分钟旋转180°,或者在至少两小时内至少分四次使器官室每15-60分钟旋转90°。旋转机构能够实现整个脉管系统的定殖。旋转是以细胞有机会在重力作用下落在通道壁上并“粘附”到通道壁的方式进行的。旋转可以以较小的角度进行,例如,在至少两小时内旋转10次,每次旋转36°,或者在至少两小时内例如以每小时转1圈的速度连续旋转。旋转机构的使用确保了定殖细胞在通道表面上的均匀分布。
根据本发明的系统可用于培养和/或存储和/或处理(包括再生)以下物质:
-立即从已故供体收采的器官
-从活供体收采的器官(例如,家庭移植或交叉移植)
-以3D(和4D)生物打印技术打印的器官(带有流动系统,包括脉管系统的器官)
-以3D(和4D)生物打印技术打印的带有流动系统(包括脉管系统)的组织模型
-通过静电纺丝技术制备的器官和组织模型(带有流动系统,包括脉管系统的器官)
-通过两种方法(生物打印和静电纺丝)的结合制备的器官和组织模型
-从生育、实验室和转基因动物收采的器官
-经受基因操纵的器官
-使用组织和基因工程技术在系统外(实验室)条件下制备的器官。
在根据本发明的系统中培养的器官和组织模型可用于医疗和基础研究以及研发工作。此外,根据本发明的系统可用于培养带有流动系统(包括脉管系统)的组织模型,所述组织模型是通过3D/4D生物打印技术或允许制备带有流动系统的模型的其他技术制备的(包括静电纺丝,其包括使用电场从熔化的聚合物或其溶液获得纳米纤维),例如形成有癌灶的组织模型、诱导的疾病实体、适合用于研究和个体化医疗的基因疗法研究的组织模型。
该系统可以是用于在移植前存储和处理器官、用于测试生物活性物质的作用(即毒性和疗效)、用于评估特定疾病阶段的严重程度以及用于评估药物和基因疗法的有效性的装置。
有利地,该系统具有药物、活性物质的精确剂量以及用于生物和化学分析的采样的特征。这使其成为一种多功能装置,除了存储/培养和处理器官以外,还允许进行先进的研究,制备移植用的器官以及评估其功能状态。因此,它将有助于提高移植程序的有效性,并允许进行先进的研究(基础研究和临床前阶段)。
附图说明
以附图中的实施方案说明了本发明,其中图1示出该系统的总图,其允许培养供体收采的器官以及使用其他技术制备的器官或组织模型;图2示出在实施例1的系统中进行2天的猪肾脏培养期间灌注液参数a)压力[mm Hg]、b)流量[ml/min]、c)灌注液损失[g]和d)葡萄糖浓度[mg/ml]的变化,图3示出在实施例1的猪肾脏培养期间灌注液参数a)pH、b)Na+离子浓度[mmol/l]、c)葡萄糖浓度[mg/dl]、d)pCO2[kPA]、e)K+离子浓度[mmol/l]、f)饱和(氧合)[%]、g)pO2[kPA]、h)Cl-离子浓度[mmol/l]和i)乳酸盐浓度[mmol/l]的变化,图4示出用于培养来自实施例1的猪肾脏的系统,图5示出电子系统控制装置的框图,图6示出实施例2的仿生胰脏器官的几何形状,图7示出对a)加热-冷却板温度(底线)和器官室温度(顶线),单位为℃,b)动脉压RR[mm Hg],c)流量[ml/min]的监测,图8示出使用共振方法获得的仿生胰脏的图像,图9示出在实施例2的仿生胰脏培养30小时期间灌注液参数a)pH、b)葡萄糖浓度[mmol/l]、c)乳酸盐浓度[mmol/l]、d)pO2[kPA]、e)Na+离子浓度[mmol/l]、f)K+离子浓度[mmol/l]的变化,图10示出30小时之后灌注液的氧合差异:样本A—在离开放置了仿生器官的室后取得—脱氧液;样本B—在到达室前取得—氧合液,图11示出用不同浓度的葡萄糖溶液刺激后胰岛素浓度的差异,其中灰线标记对照—衬垫(inserts)上受到葡萄糖刺激的胰岛,黑线标记在仿生胰脏中打印的胰岛,所述仿生胰脏保持在根据本发明的系统中,图12示出用于培养在3D生物打印过程中获得的仿生胰脏的实施例2中使用的系统,图13示出根据实施例3的灌注液容器的横截面。
具体实施方式
实施例1—猪肾脏的培养
当优化根据本发明的系统的功能时,使用猪肾脏作为模型。使用该器官有许多实际原因:
-易获得性和易收采性,最大程度缩短了热缺血时间
-易于连接的脉管化
-器官的高代谢,这允许最大限度地利用系统的潜力
-能够基于尿液分泌来监测器官功能。
猪肾脏是通过中断肉类生产的技术循环来收采的。用电流电击动物后,对其进行放血,并且在过程结束后立即将动物运至手术室,在那里收采肾脏(热缺血时间<10分钟)。当开始用UW冰溶液(威斯康星大学溶液)冲洗动脉时,就完成了收采。在动物放血期间,其血液以无菌方式保存(肝素化)。
根据本发明的系统中灌注液的组成和器官培养的条件如下:
在正常体温条件下培养期间使用的灌注液的基本组分是用于机械灌注的低钾液(BelzerUW机器灌注溶液),其以7:3的比例富集红细胞浓缩物,这允许获得约0.15的血细胞比容。此外,用CaCl2、氨基酸浓缩物(Trimel N9-1070 EC)、维生素、碳酸氢钠(以获得7.35至7.45之间的pH)、肝素、抗生素(PenStrep)、胰岛素和地塞米松补充MPS液体。该研究比较了50mmHg和75mmHg的平均灌注压。系统的动脉分支中的氧分压约为50mmHg,以大约3L/min流过氧合器。将肾脏培养48小时,然后进行组织病理学评估。通过基于灌注液浓度连续输注葡萄糖,将葡萄糖浓度维持在100-150mg%。由利尿引起的损失用林格液(按1:1的比例)自动补充。基于尿液生成、葡萄糖消耗和器官上游和下游的血液饱和度(氧合)来评估所培养的肾脏的生存力。如果由于血管阻力增加导致灌注减少,则用乌拉地尔(优匹敌(Ebrantil))输注(根据需要)来处理肾脏。图2和图3示出实施例1的猪肾脏培养期间灌注液参数的变化。
用于培养猪肾脏的系统(图4)包括以下:
-密封的器官室2,其配备有用于在系统操作期间调节位于室2中的灌注液的温度的装置。室2包含加热套形式的加热-冷却回路13。室2配备有允许连接器官、允许灌注液流入、允许灌注液流出的端口,以及被设计用于改变室2中所含气体的压力或体积的起泡捕获器—气泡消除器6。
-灌注液容器1,其配备有用于以加热-冷却板11的形式调节灌注液温度的装置,其温度通过珀耳帖模块27调节,其中灌注液容器1通过至少一条第一管线17和至少一条第二管线18与室2连接,在操作期间灌注液可以通过第一管线17从灌注液容器1流到器官室2,并且在操作期间灌注液可以通过第二管线18从器官室2流到灌注液容器1。
-用于测量和控制灌注液的氧合的装置,包括氧合装置:氧合器5、氧合-饱和传感器19、气体混合物气缸组件和减压器,其通过氧合器提供适当的压力和气体流量。氧合器5还包括氧合器5的温度传感器32和氧合器5的加热套形式的加热-冷却回路12。用于测量和控制灌注液的氧合的装置也被称为氧合器5的回路。
通过允许加热液或冷却液流动的器官室2和氧合器5的加热-冷却回路12和13、灌注液容器1的加热-冷却回路、器官室2的温度传感器30、灌注液容器1的温度传感器31、以及氧合器5的温度传感器32、提供优选为蒸馏水的加热液或冷却液流动的调节系统和泵9来调节灌注液的温度,其中加热液或冷却液不与器官或灌注液接触,仅用于将热量从加热装置传递到器官室2的加热套和氧合器5的加热套。
-用于测量灌注液中的葡萄糖浓度并且用于将葡萄糖按计量加入到灌注液中的装置4,包括基于酶电极的传感器25、电子测量系统和用于按计量加入含葡萄糖的补充液的泵9。使用的酶电极是一种专门设计用于在流动系统中进行测量的与灌注液直接接触的一次性装置。葡萄糖浓度数据显示在用户面板上,并且基于该读数,通过系统控制装置自动地或在操作员需要时按计量加入含葡萄糖的补充液。
-用于测量灌注液的pH并且用于按计量加入用于调节灌注液的pH的物质的装置3,包括pH电极、电子测量系统和用于按计量加入用于调节pH的物质的泵。
-以灌注液容器1的摆动机构16的形式提供的用于非接触式混合灌注液的装置。摆动机构16引起灌注液容器1的摆动运动。
-用于从灌注液中去除空气的装置,包括两个灌注液气泡捕获器—气泡消除器6。一个气泡捕获器位于氧合器5的回路中,另一个气泡捕获器(上述)位于器官室2正前方。
-用于测量和控制灌注液的流动参数(包括灌注液压力)的装置,所述灌注液在系统操作期间从灌注液容器1流入器官室2中。用于测量和控制灌注液的流动参数的装置包括机电膜压力传感器7、电子控制系统和蠕动泵9。压力测量是以非接触的方式进行的。灌注液通过柔性膜与传感器7分离。灌注压力由灌注操作员在用户面板上使用系统控制装置来设置。系统控制装置自动选择流量以达到设定的压力。在用户面板上还预设了最大允许流量。
-用于测量灌注液的损失和补充灌注液的装置14,其包括基于张力传感器的重量、电子测量系统和计量泵9。添加的液体量显示在操作员面板上,根据设置,可以由装置的操作员使用系统控制装置自动或手动填入。
-系统控制装置,其被配置和编程为获得至少一个参数的测量值,所述至少一个参数选自:器官室2中的灌注液的温度、灌注液容器1中的灌注液的温度、灌注液中葡萄糖的浓度、灌注液的pH,包括灌注液的压力和/或灌注液的输出在内的以每单位时间的单位体积表示的灌注液的流动参数、灌注液中乳酸盐的浓度、灌注液中钠离子的浓度、灌注液中氯离子的浓度和灌注液中钾离子的浓度、灌注液的氧合,并且基于至少一个参数的预定标准进行自动和/或手动调节,所述至少一个参数选自:器官室中灌注液的温度、灌注液容器中灌注液的温度、灌注液中葡萄糖的浓度、灌注液的pH、包括灌注液的压力和/或灌注液的输出在内的灌注液的流动参数、灌注液中的乳酸盐浓度、灌注液中的钠离子浓度、灌注液中的氯离子浓度和灌注液中的钾离子浓度、灌注液的氧合。
系统控制装置的主控制器包括两个部分:第一部分基于微处理器21,其通过控制该装置的所有外围设备来确保实时操作。第二处理器20负责图形界面(GUI),使得能够观察和输入参数。
TEC控制器23被设计为控制珀耳帖模块27,使得它们将灌注液温度保持在0到37℃之间,从而允许在正常体温和低体温条件下处理器官。风扇28用于控制散热器温度,从而使珀耳帖模块的热侧和冷侧之间的温差不超过20℃。
控制器22记录以下温度测量值:珀耳帖模块27的测量值、灌注液加热-冷却板11的测量值、器官室2的水套内的测量值、灌注液容器1内的测量值。
使用了几个蠕动泵9,其中的第一个用于主灌注液循环,并且被控制为保持由张力压力传感器7控制的恒定液压。另外三个泵9用于给药。可以以ml/min的特定速率给药。
根据本发明的系统的控制面板可以从网络浏览器的级别访问,使得它可以用任何设备打开,例如移动电话、平板电脑或笔记本电脑,只要它可以访问互联网即可。
控制面板允许设置如下参数:加热-冷却板11的温度、用于温控的PID控制器的参数、打开和关闭压力控制、预设的灌注液压力[mmHg]、灌注液的最小和最大流动(输出)、每个步进电机29的预设速度[ml/min]、打开灌注液混合机构、设置灌注液混合速度。控制面板还允许监测所测量的参数,例如灌注液的pH、灌注液中的葡萄糖浓度、加热-冷却板11的温度。图5是电子系统控制装置的框图。
实施例2—通过生物打印技术获得的器官的培养。
使用仿生胰脏器官进行使用3D生物打印实施的实验。该器官包括由基础生物墨水制成的包含胰岛的支架以及由脉管生物墨水制成的导管系统(图6)。导管系统包括主血管,其分支为三根螺旋排列的二级血管,并融合为一根排出血管。对该器官的几何参数的说明:
-整个模型的外部尺寸为32×40×17.5mm
-单根二级血管的长度为340mm
-二级血管的总长度为1020mm
-主血管直径为1.5mm
-二级血管直径为1mm
-胰岛的支架体积为20.5ml
-导管的体积约为0.9ml
培养过程在受控温度条件下进行:器官室2的温度在37至39℃之间;用于加热液体的加热-冷却板11的温度在36.5和37℃之间。在整个实验期间,还监测了流动和压力水平(图7)。
将仿生器官连接到器官室2并监测参数(压力、流动、温度)的方式不影响在仿生器官中打印的脉管系统的结构和功能。这通过共振方法得到了证实(图8)。
在器官室2中温育仿生器官期间,实时监测灌注液的以下参数:氧合、pH、葡萄糖浓度、乳酸盐浓度、钠离子、钾离子(图9)。
参数的控制允许监测灌注液的组成,并且如果需要,允许改善其质量,这使得能够将仿生器官维持在最佳培养/温育条件。此外,在该系统中使用的灌注液中补充了作为生物氧载体的红细胞。在实验期间(30小时后),取得灌注液样本,显示了灌注液氧合的明显差异(图10)。样本A—在离开仿生器官所处的室2之后取得—脱氧液;样本B—在到达室2之前取得—氧合液。
此外,对仿生器官进行了测试,以评估其功能,除了控制上述基本参数以外,还包括在设定的时间点取样,以评估用不同浓度的葡萄糖溶液刺激后的胰岛素浓度(图11)。在打印为仿生器官的隔离的胰岛和未经过3D生物打印过程的胰岛之间,仿生器官结果没有差异。
用于培养仿生器官的系统(图12)包括以下:
-密封的可移动器官室2,其配备有用于在装置操作期间调节位于室2中的灌注液的温度的装置。室2包含加热套形式的加热-冷却回路13、用于使器官室2旋转的室2的旋转机构15和室2的旋转驱动器。室2配备有允许连接器官、允许灌注液流入、允许灌注液流出的端口和气泡消除器6,其被设计为改变室2中所含气体的压力或体积。
-灌注液容器1,所述灌注液容器1配备有加热-冷却板11形式的用于调节灌注液温度的装置,其温度由珀耳帖模块27来调节,其中灌注液容器1通过至少一条第一管线17和至少一条第二管线18与室2连接,在操作期间灌注液可以通过所述第一管线17从灌注液容器1流到器官室2,并且在操作期间灌注液可以通过所述第二管线18从器官室2流到灌注液容器1。
通过器官室2和灌注液容器1的加热-冷却回路、器官室2的温度传感器30、灌注液容器1的温度传感器31、控制系统和提供加热或冷却液流动的泵9调节灌注液的温度。器官室2具有允许加热或冷却液流动的加热-冷却回路13。
-用于测量灌注液中的葡萄糖浓度并将葡萄糖按计量加入到灌注液中的装置4,包括基于酶电极的传感器25、电子测量系统和用于按计量加入含葡萄糖的液体的泵9。所用酶电极是一种专门设计用于在流动系统中进行测量与灌注液直接接触的一次性装置。葡萄糖浓度数据显示在用户面板上,系统控制装置基于该读数自动地或在操作员需要时按计量加入补充液。
-用于测量灌注液的pH并且用于按计量加入用于调节灌注液的pH的物质的装置3,包括pH电极、电子测量系统和用于按计量加入用于调节pH的物质的泵9。
-以灌注液容器1的摆动机构16的形式提供的用于非接触式混合灌注液的装置。摆动机构16引起灌注液容器1的摆动运动。
-用于从灌注液中去除空气的装置,包括灌注液气泡捕捉器—位于器官室2正前方的气泡消除器6。
-用于测量和控制灌注液的流动参数(包括灌注液的压力)的装置,所述灌注液在系统操作期间从灌注液容器1流入器官室2中。用于测量和控制灌注液的流动参数的装置包括机电膜压力传感器7、电子控制系统和蠕动泵9。压力测量是以非接触的方式进行的。灌注液通过柔性膜与传感器7分开。灌注压力由灌注操作员在用户面板上使用系统控制装置来设置。系统控制装置自动选择流量以达到设定压力。用户面板上还预设了最大允许流量。
-系统控制装置与实施例1中的相匹配。该系统控制装置还允许控制器官室2的旋转。
实施例3
为了培养实施例1的猪肾脏,使用与实施例1相对应的系统,其中灌注液容器1没有配备摆动机构16并且使用珀耳帖模块27加热。容器1为圆柱形,端口位于其下部(图13)。灌注液的非接触式混合是通过将氧合器5回路的灌注液的入口和出口设置在灌注液容器1的相对侧上,与其圆柱形壁相切而在容器1中引入涡流运动来实现的。氧合器5回路的入口和出口处的液体流量输出被设置在0到2L/min之间。通过使用水套33来进行灌注液的加热或冷却。灌注液容器1是用3D打印技术制备的。
附图标记列表:1-灌注液容器;2-器官室;3-用于测量pH的装置;4-用于测量葡萄糖浓度的装置;5-氧合器;6-气泡消除器;7-灌注液的压力传感器;8-用于取得灌注液样本的装置;9-蠕动泵;10-用于药物和/或营养物和/或灌注液组分的容器;11-加热-冷却板;12-氧合器的加热-冷却回路;13-器官室的加热-冷却回路;14-用于测量灌注液损失的装置;15-用于旋转器官室的旋转机构;16-灌注液容器的摆动机构;17-第一管线;18-第二管线;19-氧合/饱和传感器;20-GUI处理器;21-实时微处理器;22-TEC控制器;23-步进电机控制器;24-温度测量系统;25-葡萄糖传感器;26-液位传感器;27-珀耳帖模块;28-风扇;29-步进电机;30-器官室的温度传感器;31-灌注液容器的温度传感器;32-氧合器的温度传感器,33-实施例3的灌注液容器的水套。
Claims (16)
1.一种用于存储或培养器官或组织模型的系统,所述器官或组织模型优选地从供体收采,优选地选自胰脏、肝脏、肾脏、肺脏、心脏、小肠、大肠、甲状腺、皮肤、大脑,或使用其他技术制备,优选地使用3D生物打印和/或4D生物打印和/或静电纺丝技术,优选为打印有流动系统或脉管系统的器官和/或组织模型的形式,所述系统包括:
-用于器官或组织模型的室(2),所述室(2)配备有用于在所述系统操作期间测量和调节放置在所述室(2)中的灌注液的温度的装置,其中用于测量和调节所述灌注液的温度的所述装置优选地包括水套,
-灌注液容器(1),其配备有用于在所述系统操作期间测量和调节所述容器(1)中的灌注液的温度的装置,优选包括加热-冷却板(11),其中所述灌注液容器(1)通过至少一条第一管线(17)和至少一条第二管线(18)与所述器官室(2)连接,在操作期间所述灌注液能够通过所述第一管线(17)从所述灌注液容器(1)流到所述器官室(2),并且在操作期间所述灌注液能够通过所述第二管线(18)从所述器官室(2)流到所述灌注液容器(1),
-用于测量所述灌注液中的葡萄糖浓度并且用于将葡萄糖按计量加入到所述灌注液中的装置(4),
-用于测量所述灌注液的pH并且用于按计量加入用于调节所述灌注液的pH的物质的装置(3),
-用于非接触式混合所述灌注液的装置,
-用于测量和控制所述灌注液的流动参数的装置,所述流动参数包括以每单位时间的单位体积表示的灌注液压力和/或灌注液输出,
-任选地,用于测量和控制一个或多个参数的装置,所述参数选自:所述灌注液中的乳酸盐浓度、所述灌注液中的钠离子浓度、所述灌注液中的氯离子浓度、所述灌注液中的钾离子浓度、所述灌注液的氧合水平,其中所述系统被配置为在所述系统操作期间使所述灌注液在所述器官室(2)和所述灌注液容器(1)之间循环。
2.根据权利要求1所述的用于存储或培养器官或组织模型的系统,其包括系统控制装置,所述系统控制装置被配置和编程为获得至少一个参数的测量值,所述参数选自:所述器官室(2)中的灌注液温度、所述灌注液容器(1)中的灌注液温度、所述灌注液中的葡萄糖浓度、所述灌注液的pH、包括以每单位时间的单位体积表示的所述灌注液的压力和/或所述灌注液的输出在内的所述灌注液的流动参数、所述灌注液中的乳酸盐浓度、所述灌注液中的钠离子浓度、所述灌注液中的氯离子浓度和所述灌注液中的钾离子浓度、所述灌注液的氧合水平,其中所述系统控制装置还被配置和编程为基于所述至少一个参数的预定标准进行自动和/或手动调节。
3.根据权利要求2所述的用于存储或培养器官或组织模型的系统,其进一步包括用于测量和控制所述灌注液的氧合的装置和/或用于从所述灌注液中去除空气的装置,其中所述系统控制装置优选地被配置和编程为获得灌注液的氧合测量值并且基于预定标准自动和/或手动调节灌注液的氧合。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于存储或培养器官或组织模型的系统,其进一步包括用于优选基于从所述系统去除的所述灌注液的重量的读数来测量所述灌注液的损失并补充所述灌注液的装置(14),其中所述系统控制装置优选地被配置和编程为基于预定标准自动和/或手动补充所述灌注液。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于存储或培养器官或组织模型的系统,其中所述用于非接触式混合所述灌注液的装置被设置为用于摆动所述灌注液容器(1)的摆动机构(16),其中所述系统控制装置优选地被配置和编程为自动和/或手动调节所述灌注液容器(1)的摆动。
6.根据权利要求3或4所述的用于存储或培养器官或组织模型的系统,其中所述灌注液的氧合是利用氧合器(5)进行的,所述氧合器(5)在外围连接到所述灌注液容器(1)以形成氧合器(5)回路,并且所述用于非接触式混合所述灌注液的装置被设置为所述灌注液容器(1)的圆柱形设计的形式,其中在所述系统操作期间,通过将所述氧合器(5)回路在所述灌注液容器(1)中的入口和出口设置在所述灌注液容器(1)的相对侧,与所述灌注液容器(1)的圆柱形壁相切,来混合所述灌注液。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于存储或培养器官或组织模型的系统,其包括用于取得所述灌注液的样本的装置(8)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于存储或培养器官或组织模型的系统,其中所述器官室(2)包括旋转机构(14),所述旋转机构(14)允许所述器官室(2)在所述系统操作期间旋转,其中所述系统控制装置优选地被配置和编程为自动和/或手动调节所述器官室(2)的旋转,其中所述系统控制装置优选地被配置和编程为在至少两小时内使所述器官室(2)每30分钟旋转180°,或者在至少两小时内至少分四次使所述器官室(2)每15-60分钟旋转90°。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于存储或培养器官或组织模型的系统,其中所述器官室(2)和/或所述灌注液容器(1)和/或所述用于测量和控制所述灌注液的氧合的装置具有用于在0至37℃范围内调节温度的装置。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的用于存储或培养器官或组织模型的系统,其进一步包括用于按计量加入药物和/或营养物和/或灌注液组分的附加装置,其中所述系统控制装置优选地被配置和编程为基于预定标准自动和/或手动按计量加入药物和/或营养物和/或灌注液组分。
11.根据权利要求3至10中任一项所述的用于存储或培养器官或组织模型的系统,其中通过安装在所述灌注液容器(1)和所述器官室(2)之间的所述第一管线(17)上的气泡消除器(6)从所述灌注液中去除空气,并且在所述系统操作期间通过至少一个泵(9),优选蠕动泵,执行所述灌注液在所述灌注液容器(1)和所述器官室(2)之间在任一方向上的移动。
12.权利要求1至11中任一项限定的系统用于存储和/或培养器官或组织模型的用途,所述器官或组织模型是从供体收采的,或者是通过其他技术,优选利用3D生物打印和/或4D生物打印和/或静电纺丝制备的。
13.根据权利要求12所述的用途,其中权利要求8所述的系统用于培养3D生物打印的器官,其中优选地,在内皮细胞定殖脉管系统阶段使用所述旋转机构(14)。
14.根据权利要求12所述的用途,其中在存储和/或培养期间评估器官或组织模型的疾病的状态或发展。
15.根据权利要求14所述的用途,其中在存储和/或培养期间分析生物活性物质对器官或组织模型的疾病的状态或发展的影响。
16.根据权利要求14所述的用途,其中在存储和/或培养期间评估药物治疗和/或基因治疗对器官或组织模型的状态的疗效。
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