TWI769861B - 三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台 - Google Patents

三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台 Download PDF

Info

Publication number
TWI769861B
TWI769861B TW110121730A TW110121730A TWI769861B TW I769861 B TWI769861 B TW I769861B TW 110121730 A TW110121730 A TW 110121730A TW 110121730 A TW110121730 A TW 110121730A TW I769861 B TWI769861 B TW I769861B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
cell
hydrogel
drug
screening
cells
Prior art date
Application number
TW110121730A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202300641A (zh
Inventor
陳宥蓁
廖涵容
李岡遠
何淑娟
孫偉倫
劉承賢
Original Assignee
國立清華大學
台北醫學大學
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 國立清華大學, 台北醫學大學 filed Critical 國立清華大學
Priority to TW110121730A priority Critical patent/TWI769861B/zh
Priority to US17/393,147 priority patent/US20220395830A1/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI769861B publication Critical patent/TWI769861B/zh
Publication of TW202300641A publication Critical patent/TW202300641A/zh

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502753—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by bulk separation arrangements on lab-on-a-chip devices, e.g. for filtration or centrifugation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C12M23/16—Microfluidic devices; Capillary tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502715—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by interfacing components, e.g. fluidic, electrical, optical or mechanical interfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/50273—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means or forces applied to move the fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502761—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip specially adapted for handling suspended solids or molecules independently from the bulk fluid flow, e.g. for trapping or sorting beads, for physically stretching molecules
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M25/00—Means for supporting, enclosing or fixing the microorganisms, e.g. immunocoatings
    • C12M25/14—Scaffolds; Matrices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/46—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of cellular or enzymatic activity or functionality, e.g. cell viability
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/48—Automatic or computerized control
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N5/00—Undifferentiated human, animal or plant cells, e.g. cell lines; Tissues; Cultivation or maintenance thereof; Culture media therefor
    • C12N5/0062—General methods for three-dimensional culture
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N5/00—Undifferentiated human, animal or plant cells, e.g. cell lines; Tissues; Cultivation or maintenance thereof; Culture media therefor
    • C12N5/0068—General culture methods using substrates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/5005—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving human or animal cells
    • G01N33/5008—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving human or animal cells for testing or evaluating the effect of chemical or biological compounds, e.g. drugs, cosmetics
    • G01N33/5011—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving human or animal cells for testing or evaluating the effect of chemical or biological compounds, e.g. drugs, cosmetics for testing antineoplastic activity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0645—Electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0803—Disc shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0819—Microarrays; Biochips
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/0883—Serpentine channels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • B01L2400/0424—Dielectrophoretic forces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2513/00—3D culture
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2535/00—Supports or coatings for cell culture characterised by topography
    • C12N2535/10—Patterned coating

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)

Abstract

本發明揭露一種三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台。於此陣列平台中，水膠-細胞混合物注入區用以注入複數種水膠-細胞混合物。複數個細胞觀察區連接水膠-細胞混合物注入區。該些細胞觀察區之下方均設置有電極，並透過電極對該些細胞觀察區內的該複數種水膠-細胞混合物進行自動的細胞定量及三維細胞共排列，以仿造體內組織的結構。藥物注入區用以注入複數種藥物。複數個藥物組合產生器分別對應於該些細胞觀察區且均連接藥物注入區。該些藥物組合產生器均具有微流道結構且係用以根據該複數種藥物產生複數種藥物組合。

Description

三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台
本發明係與細胞培養有關，尤其是關於一種三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台。
一般而言，細胞培養對於藥物組合測試是非常重要的。然而，目前大部分的細胞培養技術均以將細胞培養於孔盤中為主，其雖具有易於控制與操作之優點，但卻也面臨不同種類的細胞之間的相互影響、細胞排列散亂而難以模仿其組織學組成等問題。因此，目前仍無法有效模擬細胞生長之環境，導致細胞培養之仿生性仍有待提升。
此外，目前生物醫學上多以動物實驗及人體實驗做為藥物測試平台，其試驗時間往往較長。再加上傳統的藥物測試平台每次僅專注地進行單種藥物的測試，而忽略了複方藥物可能達成之功效或勝過單種藥物之療效，導致傳統上在生醫晶片內部無法進行複數種類的藥物混合，而無法大量測試不同藥物組合所帶來之影響性，因此，藥物篩選效率及範圍之大幅提升亦為刻不容緩之議題。
關於生物晶片中之細胞數的定量，目前大多仍以人工計數為主，容易造成數量不均且難以控制，並且在將細胞注入晶片的過程中易有分散不均或由於細胞數量不足造成不易觀察等問題，導致細胞定量的穩定性和密度不佳，亟待改善。
請同時參照圖1及圖2。以現有技術而言，若需要在同一腔室內光固化不同種水膠-細胞混合物，其所需步驟較為繁複，且需要光罩及多個水膠出入口。
舉例而言，若有三種不同的水膠-細胞混合物，則傳統的光固化方法需執行下列步驟：(S10)打入第一種水膠-細胞混合物至培養腔室內；(S11)調整光罩位置以光固化A區域的水膠；(S12)沖洗掉未光固化的B、C區域的多餘水膠；(S13)打入第二種水膠-細胞混合物至培養腔室內；(S14)調整光罩位置以光固化B區域的水膠；(S15)沖洗掉未光固化的C區域的多餘水膠；(S16)打入第三種水膠-細胞混合物至培養腔室內；以及(S17)調整光罩位置以光固化C區域。
由於微結構技術不一定能穩定地區隔不同種混合物，使其既足夠接近而能讓混合物之間有效傳遞細胞因子，又不可讓不同種混合物之間彼此混合而導致觀察不易。此外，若有複數種細胞需進行光固化程序，最後進行光固化的該種細胞可能會因為等待時間過長而產生損耗，因此其時間性與操作性均仍有提升之空間。
有鑑於此，本發明提出一種三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台，以有效解決先前技術所遭遇到之上述問題。
本發明之一範疇在於提出一種體外細胞自動共排列系統，其目的為提供運用於三維細胞自動共排列之觀測平台，並利用液體介電泳及介電泳技術完成自動組合藥物及細胞自動排列及定量，結合微流體技術以降低成本並解決體外細胞仿生及藥物篩選等相關問題。
本發明之一範疇在於提出一種細胞自動排列與定量之三維藥物篩選平台，其可同時整合細胞共培養、動態灌流、三維水膠環境、細胞自動定量與排列、藥物篩選之技術等多項功能進行整合設計，藉以簡化操作步驟及晶片製程；其可利用水膠仿細胞外基質建構細胞支架，以實現更有利於細胞生長之環境；並可使用介電泳技術操縱水膠定量所需之細胞數，藉以模擬癌症第一期至第四期之患者狀態，達成個人化醫療之功效；其亦可使用介電泳技術進行複數種細胞共排列來仿造體內組織的結構，藉以提升後續藥物篩選平台之仿生性，使其測試得出之結果能更貼近於患者所需；其還可利用藥物篩選平台建構不同的藥物組合，藉以測試出患者所需之最適藥物組合，故能有效協助醫院端進行藥物組合之初步篩選。
本發明之三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台包含上層微流道端以及下層電極端，微流道端實現不同藥物組合之產生，電極端則進行複數種細胞定量與三維自動排列。細胞混合上層水膠注入端由中心向外輻射至細胞觀察區，細胞觀察區部分以電極控制不同量之不同種細胞並進行後續共排列，並利用三維水膠光固化，外圍則為藥物注入端以及緩衝液注入端，將藥物注入並以微流道結構產生不同之藥物組合。
依據本發明之一具體實施例為一種三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台。於此實施例中，三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台包括水膠-細胞混合物注入區、複數個細胞觀察區、藥物注入區及複數個藥物組合產生器。水膠-細胞混合物注入區用以注入複數種水膠-細胞混合物。該複數個細胞觀察區與水膠-細胞混合物注入區連接。該複數個細胞觀察區之下方均設置有電極，並透過電極對該複數個細胞觀察區內的該複數種水膠-細胞混合物進行自動的細胞定量及三維細胞共排列，以仿造體內組織的結構。藥物注入區用以注入複數種藥物。該複數個藥物組合產生器分別對應於該複數個細胞觀察區且均與藥物注入區連接。該複數個藥物組合產生器均具有微流道結構且用以根據該複數種藥物產生複數種藥物組合。
於一實施例中，三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台還包括培養液注入區及培養液回收區。從培養液注入區流出的培養液透過微流道流經該複數個細胞觀察區以沖洗掉多餘之水膠及細胞後流至培養液回收區。
於一實施例中，微流道的形狀及繞經該複數個細胞觀察區的順序及繞法均為可變的。
於一實施例中，三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台還包括微柱，其係用以阻止水膠在動態灌流時被沖走。
於一實施例中，三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台還包括緩衝液注入區，其係與藥物組合產生器連接且用以注入緩衝液。
於一實施例中，當電極已採用液體介電泳技術將該複數種水膠-細胞混合物排列於特定位置時，無需光罩即可直接大面積光固化該複數種水膠-細胞混合物，以仿造體內組織的結構。
於一實施例中，電極產生之電場大小與響應頻率可用以仿照不同進程之癌症腫瘤組成並自動共排列該複數種水膠-細胞混合物中之複數種細胞，藉以模擬該複數種細胞於生長過程中相互影響之特性，以改善培養單一種細胞之缺點。
於一實施例中，電極圖案的大小係用以區分關於該體內組織的病症進程。
於一實施例中，該複數個細胞觀察區的排列係對稱於水膠-細胞混合物注入區且水膠-細胞混合物注入區係向外輻射地連接至該複數個細胞觀察區。
於一實施例中，藥物組合產生器所產生的該複數種藥物組合係透過仿造出的體內組織的結構進行藥物測試，以使藥物測試的結果能貼近於患者所需並從該複數種藥物組合中篩選出患者所需的最適藥物組合。
於一實施例中，在對於該複數個細胞觀察區中之半圓形水膠進行光固化後，細胞在經光固化後的半圓形水膠內遷移之數量及距離可不受引力之影響而定量化，藉以測得細胞側向位移之距離及其於不同時間點之遷移距離，以有效模擬人體內不同藥物與不同反應時間下，對腫瘤微環境之作用情形。
相較於先前技術，本發明所提出的三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台具有下列優點及功效：
(1) 腫瘤微環境建構：利用微流道結構結合三維水膠及不同種類的細胞自動共排列方式，共培養不同種類的細胞，以完整模擬患者體內之腫瘤微環境。
(2) 細胞共排列平台之建構：藉由計算電極產生之電場大小與頻率之效應以進行設計，使其可仿照組織學之不同細胞組成，自動共排列複數種細胞，模擬複數種細胞於生長過程中相互影響之特性，改善單一細胞培養之缺點。
(3) 自動抓取定量細胞數：透過電極圖案的差異可抓取不同數量與性質的細胞，可應用於模擬不同程度的腫瘤大小。
(4) 動態灌流系統：利用動態灌流系統置換培養基，使細胞能有效生長。
(5) 細胞遷移之數量及距離之定量化：藉由半圓形水膠之固化，使得後續的實驗結果，例如免疫細胞遷移之數量及距離可定量化，相較於傳統的孔盤測試細胞由上而下垂直遷移，本發明透過此種設計可有效避免引力之影響而測得免疫細胞側向位移之距離及其於不同時間點之遷移距離，藉以模擬人體內不同藥物與不同反應時間下，對腫瘤微環境之作用情形，故可大幅提升藥物篩選之效率及準確性。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
現在將詳細參考本發明的示範性實施例，並在附圖中說明所述示範性實施例的實例。在圖式及實施方式中所使用相同或類似標號的元件/構件是用來代表相同或類似部分。
本發明之一範疇在於提出一種體外細胞自動共排列系統，其目的為提供運用於三維細胞自動共排列之觀測平台，並利用液體介電泳及介電泳技術完成自動組合藥物及細胞自動排列，結合微流體技術以降低成本並解決體外細胞仿生及藥物篩選等相關問題。
本發明之一範疇在於提出一種細胞自動排列與定量之三維藥物篩選平台，其可同時整合細胞共培養、動態灌流、三維水膠環境、細胞自動定量與排列、藥物篩選之技術等多項功能進行整合設計，藉以簡化操作步驟及晶片製程；其可利用水膠仿細胞外基質建構細胞支架，以實現更有利於細胞生長之環境；並可使用介電泳技術操縱水膠定量所需之細胞數，藉以模擬第一期至第四期癌症之患者狀態，達成個人化醫療之功效；其亦可使用介電泳技術進行複數種細胞共排列來仿造體內組織的結構，藉以提升後續藥物篩選平台之仿生性，使其測試得出之結果能更貼近於患者所需；其還可利用藥物篩選平台建構不同的藥物組合，藉以測試出患者所需之最適藥物組合，故能有效協助醫院端進行藥物組合之初步篩選。
使用孔盤及培養盤是目前生物細胞培養之主流培養方式，然而其與人體內組織生長具一定程度上之差異，難重現細胞於人體微環境中之動態情形；而使用動物模型進行藥物篩選，其耗時較長，效率較慢，動物細胞與人體有所差異且有道德上可議之處；而人體測試最吻合細胞於人體之生長環境，然而此處忽略了癌症病患之個體差異性，因此本晶片結合複數種技術，使用患者之細胞進行後續三維培養，細胞定量及排列，有效模擬人體腫瘤微環境，仿照第一期至第四期癌症患者的腫瘤生長狀態，進行後續藥物組合篩選檢測。
雖然先前亦有生醫晶片結合介電濕潤技術，操控三維水膠抵達目標區域，然而無法於晶片內建立不同之藥物組合度進行篩選；單純使用介電泳細胞排列技術之生醫晶片雖可有效將細胞進行緊密排列，亦無法操控水膠形成特定形狀或抵達目標區域，因此本發明結合液體介電泳及介電泳兩者技術，針對現有技術之缺失加以改善，使細胞可定量並進行後續共排列及共培養。
請參照圖3，圖3繪示根據本發明之一較佳具體實施例中之細胞自動排列與定量之三維藥物篩選平台的整體示意圖。
如圖3所示，本發明之細胞自動排列與定量之三維藥物組合篩選平台可包含水膠-細胞混合物注入區1、複數個細胞觀察區2~4、培養液注入區5、培養液回收區6、藥物注入區7、緩衝液注入區8、藥物組合產生器9及微柱10。
需說明的是，藥物組合產生器9係具有微流道結構，其實施例請參照圖4，但不以此為限。此外，在該複數個細胞觀察區2~4的下板處係設置有電極，其實施例請參照圖7A~圖7C，但不以此為限。該複數個細胞觀察區2~4的排列係對稱於水膠-細胞混合物注入區1且水膠-細胞混合物注入區1係向外輻射地連接至該複數個細胞觀察區2~4。
當水膠-細胞混合物從水膠-細胞混合物注入區1流至該複數個觀察區2~4後，由於在該複數個細胞觀察區2~4的下板處設置有電極，因此，本發明即可採用介電泳技術透過電極對於細胞觀察區內的該複數個細胞進行細胞自動定量及排列的程序，藉以模擬癌症患者之腫瘤微環境。
舉例而言，如圖5所示，本發明所揭露的水膠光固化方法可包含下列步驟：(S20)同時打入複數種水膠-細胞混合物至培養腔室內；(S21) 透過液體介電泳技術將該複數種水膠-細胞混合物排列於特定位置；以及(S22)無需光罩即可直接大面積光固化該複數種水膠-細胞混合物。藉此，本發明所揭露的水膠光固化方法耗時較短且操作簡易，而可有效提升所有細胞經光固化後之存活率。
接著，本發明還可利用培養液注入區5注入培養液分別透過微流道MF流經該複數個細胞觀察區2~4以沖洗掉多餘之水膠及細胞，最後流至培養液回收區6。微流道MF的形狀(例如對稱的形狀，但不以此為限)以及繞經該複數個細胞觀察區2~4的順序及繞法均為可變的，故可依照實際需求而定。微柱10則用以阻止水膠。此外，設置於外圍的藥物注入區7及緩衝液注入區8係分別用以注入藥物及緩衝液，並透過具有微流道結構的藥物組合產生器9來產生不同的藥物組合。
需說明的是，由於本發明之細胞自動排列與定量之三維藥物組合篩選平台具有包含上層微流道端及下層電極端的雙層結構。其中，上層微流道端係用以實現不同藥物組合之產生且下層電極端係用以進行複數種細胞定量及三維自動排列。
如圖3所示，水膠-細胞混合物係從位於中心的水膠-細胞混合物注入區1向外輻射至該複數個細胞觀察區2~4。該複數個細胞觀察區2~4係採用液體介電泳技術透過下層電極端使水膠抵達目標區域並透過介電泳技術控制不同數量的不同種細胞，再利用三維水膠光固化技術，無需光罩即可直接進行大面積的光固化。設置於外圍的藥物注入區7及緩衝液注入區8係分別用以注入藥物及緩衝液，並透過具有微流道結構的藥物組合產生器9來產生不同的藥物組合。
需說明的是，本發明所採用的液體介電泳技術可大幅簡化對於同一腔室內的不同種水膠-細胞混合物進行光固化的繁瑣步驟，使其能一步到位，故僅需透過單一水膠出入口依序注入不同種水膠-細胞混合物，再利用下層電極一次性排列不同種水膠-細胞混合物後，無須光罩即可直接進行大面積的光固化，故其所需時間較短且操作簡易，而可有效提升所有細胞經光固化後之存活率。
此外，本發明所採用的液體介電泳技術可將水膠圖案化至非常精細的程度，藉以有效提升模擬癌症患者之腫瘤微環境的仿生性之外，還可使得不同種水膠-細胞混合物之間不會彼此混合而易於觀察。
接著，請參照圖6。圖6繪示晶片內之下層電極分區之一實施例的示意圖。如圖6所示，於此實施例中，若由左至右來看，第一直行的電極分區由上至下依序為KLKL、第二直行的電極分區由上至下依序為KMKM、第三直行的電極分區由上至下依序為NMNM。相同的電極分區均會彼此相連(例如所有的電極分區K彼此相連，其餘可依此類推)。藉此，本發明採用液體介電泳技術可透過上述電極分區同時培養複數種水膠-細胞混合物，並可觀察在不同藥物組合下之細胞交互作用情形。
接著，請參照圖7A至圖7C。圖7A至圖7C係分別繪示具有不同大小的電極架構，本發明可利用電極大小來區分體內組織(例如肺臟)的病症(例如癌症腫瘤)的進程(例如第一期至第四期)，但不以此為限。
於另一實施例中，如圖8所示，在對於細胞觀察區2中之半圓形水膠WG進行光固化後，免疫細胞IC可在經光固化後的半圓形水膠WG內進行遷移且其遷移方向為MD。相較於傳統的孔盤測試細胞由上而下垂直遷移，本發明透過此種設計可有效避免引力之影響，使得後續的實驗結果，例如免疫細胞IC遷移之數量及距離可定量化，藉以測得免疫細胞IC側向位移之距離及其於不同時間點之遷移距離，故能有效模擬人體內不同藥物與不同反應時間下，對腫瘤微環境之作用情形，可大幅提升藥物篩選之效率及準確性。
相較於先前技術，本發明所提出的細胞三維培養與藥物測試篩選陣列平台具有下列優點及功效：
(1) 腫瘤微環境建構：利用微流道結構結合三維水膠及不同種類的細胞自動共排列方式，共培養不同種類的細胞，以完整模擬患者體內之腫瘤微環境。
(2) 細胞共排列平台之建構：藉由計算電極產生之電場大小與頻率之效應以進行設計，使其可仿照組織學之不同細胞組成，自動共排列複數種細胞，模擬複數種細胞於生長過程中相互影響之特性，改善單一細胞培養之缺點。
(3) 自動抓取定量細胞數：透過電極圖案的差異可抓取不同數量與性質的細胞，可應用於模擬不同程度的腫瘤大小。
(4) 動態灌流系統：利用動態灌流系統置換培養基，使細胞能有效生長。
(5) 細胞遷移之數量及距離之定量化：藉由半圓形水膠之固化，使得後續的實驗結果，例如免疫細胞遷移之數量及距離可定量化，相較於傳統的孔盤測試細胞由上而下垂直遷移，本發明透過此種設計可有效避免引力之影響而測得免疫細胞側向位移之距離及其於不同時間點之遷移距離，藉以模擬人體內不同藥物與不同反應時間下，對腫瘤微環境之作用情形，故可大幅提升藥物篩選之效率及準確性。
A、B、C:區域 S10~S17:步驟 1:水膠-細胞混合物注入區 2~4:細胞觀察區 5:培養液注入區 6:培養液回收區 7:藥物注入區 8:緩衝液注入區 9:藥物組合產生器 10:微柱 S20~S22:步驟 K、L、M、N:電極分區 MF:微流道 IC:免疫細胞 WG:水膠 MD:遷移方向
本發明所附圖式說明如下： 圖1繪示於一腔室內同時具有三種不同水膠-細胞混合物的示意圖。 圖2繪示傳統上對於一腔室內的三種不同水膠-細胞混合物進行光固化的方法的流程圖。 圖3繪示根據本發明之一較佳具體實施例中之細胞自動排列與定量之三維藥物篩選平台的整體示意圖。 圖4繪示藥物組合產生器之一實施例的示意圖。 圖5繪示根據本發明之一較佳具體實施例中之直接於一腔室內同時大面積光固化複數種不同水膠的方法的流程圖。 圖6繪示晶片內之下層電極分區的示意圖，其可同時培養一種以上之水膠-細胞混合物，並觀察不同藥物組合下之細胞交互作用情形。 圖7A至圖7C繪示利用電極大小區分癌症進程之示意圖。 圖8繪示藉由半圓形水膠之固化，使得免疫細胞遷移之數量及距離可定量化之示意圖。
1:水膠-細胞混合物注入區
2~4:細胞觀察區
5:培養液注入區
6:培養液回收區
7:藥物注入區
8:緩衝液注入區
9:藥物組合產生器
10:微柱

Claims (11)

  1. 一種三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台，包括：一水膠-細胞混合物注入區，用以注入複數種水膠-細胞混合物；複數個細胞觀察區，與該水膠-細胞混合物注入區連接，該複數個細胞觀察區之下方均設置有電極，並透過該電極對該複數個細胞觀察區內的該複數種水膠-細胞混合物進行自動的細胞定量及三維細胞共排列，以仿造體內組織的結構；一藥物注入區，用以注入複數種藥物；以及複數個藥物組合產生器，分別對應於該複數個細胞觀察區且均與該藥物注入區連接，該複數個藥物組合產生器均具有微流道結構且用以根據該複數種藥物產生複數種藥物組合。
  2. 如請求項1所述的三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台，還包括一培養液注入區及一培養液回收區，從該培養液注入區流出的培養液透過一微流道流經該複數個細胞觀察區以沖洗掉多餘之水膠及細胞後流至該培養液回收區。
  3. 如請求項2所述的三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台，其中該微 流道的形狀及繞經該複數個細胞觀察區的順序及繞法均為可變的。
  4. 如請求項1所述的三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台，還包括一微柱，其係用以阻止水膠在動態灌流時被沖走。
  5. 如請求項1所述的三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台，還包括一緩衝液注入區，其係與該複數個藥物組合產生器連接且用以注入緩衝液。
  6. 如請求項1所述的三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台，其中當該電極已採用液體介電泳技術將該複數種水膠-細胞混合物排列於特定位置時，無需光罩即可直接大面積光固化該複數種水膠-細胞混合物，以仿造該體內組織的結構。
  7. 如請求項6所述的三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台，其中該電極產生之電場大小與響應頻率可用以仿照不同進程之癌症腫瘤組成並自動共排列該複數種水膠-細胞混合物中之複數種細胞，藉以模擬該複數種細胞於生長過程中相互影響之特性，以改善培養單一種細胞之缺點。
  8. 如請求項1所述的三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台，其中該電極圖案的大小係用以區分關於該體內組織的病症進程。
  9. 如請求項1所述的三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台，其中該複數個細胞觀察區的排列係對稱於該水膠-細胞混合物注入區且該水膠-細胞混合物注入區係向外輻射地連接至該複數個細胞觀察區。
  10. 如請求項1所述的三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台，其中該複數個藥物組合產生器所產生的該複數種藥物組合係透過仿造出的該體內組織的結構進行藥物測試，以使該藥物測試的結果能貼近於患者所需並從該複數種藥物組合中篩選出患者所需的最適藥物組合。
  11. 如請求項1所述的三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台，其中在對於該複數個細胞觀察區中之半圓形水膠進行光固化後，細胞在經光固化後的該半圓形水膠內遷移之數量及距離可不受引力之影響而定量化，藉以測得該細胞側向位移之距離及其於不同時間點之遷移距離，以有效模擬人體內不同藥物與不同反應時間下，對腫瘤微環境之作用情形。
TW110121730A 2021-06-15 2021-06-15 三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台 TWI769861B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW110121730A TWI769861B (zh) 2021-06-15 2021-06-15 三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台
US17/393,147 US20220395830A1 (en) 2021-06-15 2021-08-03 Array platform for three-dimensional cell culturing and drug testing and screening

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW110121730A TWI769861B (zh) 2021-06-15 2021-06-15 三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI769861B true TWI769861B (zh) 2022-07-01
TW202300641A TW202300641A (zh) 2023-01-01

Family

ID=83439592

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110121730A TWI769861B (zh) 2021-06-15 2021-06-15 三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20220395830A1 (zh)
TW (1) TWI769861B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106676005A (zh) * 2017-02-27 2017-05-17 南京新诺丹生物技术有限公司 一种用于细胞培养和细胞分选的培养容器
US20180289856A1 (en) * 2017-04-10 2018-10-11 TheWell Bioscience Hydrogel for cell culture and biomedical applications
TWM587176U (zh) * 2019-04-30 2019-12-01 張淑真 具仿生微結構的細胞培養基質及含此的細胞培養裝置
WO2021016489A2 (en) * 2019-07-23 2021-01-28 Xylyx Bio, Inc. Fibrosis-specific cell culture substrate and methods of use

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5774477B2 (ja) * 2008-06-04 2015-09-09 ティスユーズ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツングＴｉｓｓＵｓｅ ＧｍｂＨ オンチップ臓器デバイス
US10233415B1 (en) * 2013-07-22 2019-03-19 The Regents Of The University Of California Microfluidics cell culture device
CN206502830U (zh) * 2017-03-01 2017-09-19 苏州汶颢微流控技术股份有限公司 溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片
CN109234163B (zh) * 2018-09-06 2021-10-15 大连理工大学 一种高通量肿瘤靶向药物浓度筛选微流控器件
CN110373321A (zh) * 2018-12-28 2019-10-25 华东理工大学 一种实现细胞三维培养以及药物筛选的微流控芯片及应用
US11760966B2 (en) * 2019-06-14 2023-09-19 University Of Connecticut Multigel tumor-on-a-chip system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106676005A (zh) * 2017-02-27 2017-05-17 南京新诺丹生物技术有限公司 一种用于细胞培养和细胞分选的培养容器
US20180289856A1 (en) * 2017-04-10 2018-10-11 TheWell Bioscience Hydrogel for cell culture and biomedical applications
TWM587176U (zh) * 2019-04-30 2019-12-01 張淑真 具仿生微結構的細胞培養基質及含此的細胞培養裝置
WO2021016489A2 (en) * 2019-07-23 2021-01-28 Xylyx Bio, Inc. Fibrosis-specific cell culture substrate and methods of use

Also Published As

Publication number Publication date
US20220395830A1 (en) 2022-12-15
TW202300641A (zh) 2023-01-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zheng et al. Patient-specific organoid and organ-on-a-chip: 3D cell-culture meets 3D printing and numerical simulation
Hirschhaeuser et al. Multicellular tumor spheroids: an underestimated tool is catching up again
CN104630059B (zh) 用于建立三类细胞体外共培养模型的微流控芯片及方法
Lin et al. Modeling organ-specific vasculature with organ-on-a-chip devices
CN102899249B (zh) 产生体外血管的装置和方法
US10017724B2 (en) Engineering of a novel breast tumor microenvironment on a microfluidic chip
CN111218404A (zh) 一种仿生多器官芯片及其制备方法和应用
US20190376013A1 (en) Microfluidic devices, systems, and methods for investigating three-dimensional cellular structures
Sakthivel et al. Microfluidic analysis of heterotypic cellular interactions: a review of techniques and applications
CN104164360B (zh) 集成微流控芯片及其用于三维肿瘤定位、构建、回收方法
Jiang et al. Microfluidic-based biomimetic models for life science research
TWI769861B (zh) 三維細胞培養與藥物測試篩選的陣列平台
Johnson et al. The applications and challenges of the development of in vitro tumor microenvironment chips
Hou et al. Application of microfluidic chips in the simulation of the urinary system microenvironment
CN212316139U (zh) 一种仿生多器官芯片
KR20210005606A (ko) 멀티레인 혈관구조용 시스템 및 방법
CN115478014A (zh) 三维细胞培养与药物测试筛选的阵列平台
Victorious Current applications of organ-on-a-chip: a step closer to personalized medicine
CN115074246A (zh) 具有可溶临时屏障的微流控器官芯片及其制备方法
TWI795812B (zh) 模擬腹腔熱化療之藥物篩選平台
Liu et al. Advances in Microfluidic Technologies in Organoid Research
CN116445282B (zh) 一种微流控系统及其在构建仿生器官微环境中的应用
CN106566801A (zh) 一种基于微流控技术建立骨质疏松模型的方法
Moore Mechanical Stimulation Microfluidic Devices for Brain Organoid Mechanobiology
Zhou Investigating the Effects of Cyclic Stretching on Lung Cancer Cells using an Automated Microfluidic System