CN118421456A - 一种自动化类器官培养监测平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动化类器官培养监测平台，包括微流控系统、培养系统、传感系统、高内涵系统；微流控系统包括密封外壳、用于盛放培养液的内槽、用于盛放废液的外槽等；培养系统包括设置在培养槽中的若干培养小室、设置在培养小室中的培养孔、第一微孔滤膜；传感系统包括吸液器、检测室、传感探头、水箱，传感探头设置在检测室内，用于检测培养液的各项参数；高内涵系统包括成像分析仪、计算机，成像分析仪设置在培养系统外侧，用于获取培养孔内的类器官图像数据，计算机连接成像分析仪和传感系统。本平台在保证培养环境稳定的同时，实现了培养监测的精准化和自动化，不仅更加适应类器官的培养过程，而且有利于提高培养成功率和节省人力资源。
Description
技术领域
本发明涉及类器官培养技术领域，尤其涉及一种自动化类器官培养监测平台。
背景技术
基于类器官优于2D培养的临床相关性，结合培养监测装置的类器官模型已成为病理生理研究和药物筛选的重要工具。
现有技术中类器官通常处于恒温二氧化碳培养箱中进行培养，并需要取出培养板在显微镜下进行观察，通过培养基颜色、镜下类器官形态及密度等判断类器官生长状态，进而选择采取换液、传代、冻存等操作。一方面，该过程主要依赖人工参与，对操作时机的主观经验性判断存在误差，无法做到精准化、智能化、自动化等，如专利CN213232314U公开了一种活细胞监测装置，然而其检测装置仍依赖人工操作，较为不便。另一方面，无法实时监测细胞培养液体中成分及类器官状态的变化，因而无法得到全面、准确的实验结果，专利CN116814431A公开了一种细胞培养监测系统，通过传感器探测并进行信号处理，但该系统仅能监测细胞生长过程的环境参数，不能监测细胞本身的体积、数目等，不适应类器官培养，且无法实现培养操作的自动化。如专利CN116814431A公开了一种细胞培养监测系统，通过传感器探测并进行信号处理，但该系统仅能监测细胞生长过程的环境参数，不能监测细胞本身的体积、数目等，不适应类器官培养，且无法实现培养操作的自动化。此外，频繁观察和查找对应培养板时培养箱长时间打开，会导致培养箱内温湿度及二氧化碳浓度的不稳定，甚至引入污染，破坏培养环境。自动化类器官培养实时监测平台的运用迫在眉睫。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种基于高速显微、图像分析和传感技术的自动化类器官培养监测平台，通过高内涵细胞成像和实时监测培养液成分精准监测类器官生长状态。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种自动化类器官培养监测平台，其特征在于：包括微流控系统、培养系统、传感系统、高内涵系统；
所述微流控系统包括密封外壳、用于盛放培养液的内槽、用于盛放废液的外槽，液体泵、进液管、废液管，所述内槽和外槽设置在所述密封外壳中，所述进液管的一端通过进液槽孔连接内槽，另一端连接培养系统，所述废液管的一端通过废液槽孔连接外槽，另一端连接培养系统，所述液体泵设置在所述进液槽孔内，所述废液管上设置有传感区；
所述培养系统包括设置在培养槽中的若干培养小室、设置在所述培养小室中的培养孔、第一微孔滤膜，所述培养小室侧面设置有第一液体孔和第二液体孔，所述进液管和废液管分别通过所述第一液体孔和第二液体孔连接培养孔，培养小室的顶部设置有通过旋钮开合的接种孔，用于向培养孔中接种类器官，所述第一微孔滤膜设置在第一液体孔和第二液体孔上，用于阻止细胞通过；
所述传感系统包括吸液器、检测室、传感探头、水箱，所述吸液器的一端连接所述传感区，另一端通过传感通道连接所述检测室，所述传感探头设置在所述检测室内，用于检测培养液的各项参数，所述水箱设置在检测室的底部；
所述高内涵系统包括成像分析仪、计算机，所述成像分析仪设置在所述培养系统外侧，用于获取培养孔内的类器官图像数据，所述计算机连接成像分析仪和传感系统。
进一步的，所述内槽中设置有若干液体腔，所述液体泵与每个液体腔均相连，液体泵为多通路结构，能够从不同的液体腔中汲取培养液。
进一步的，所述第一液体孔和第二液体孔分别通过输入通道和输出通道连接所述培养孔，连接处设置有规格为0.22μm的第二微孔滤膜，所述输入通道和输出通道的水平位置高于培养孔内底部的培养平面。
进一步的，所述第一液体孔和第二液体孔分别通过第一多路复用器和第二多路复用器分为若干支路后连接所述培养孔。
进一步的，多个培养孔之间通过液体通道相互连接，形成培养腔。
进一步的，所述培养孔底部水凝胶中嵌入有微型传感芯片，用于监测培养基更新过程中的营养水平和废物水平。
进一步的，所述培养小室采用光学透明的原生聚苯乙烯材质制成，所述培养孔采用生物相容性好的PDMS材质制成。
进一步的，所述培养小室内设置有环控装置，能够控制培养小室内温度、湿度、氧气及二氧化碳浓度。
进一步的，所述第一液体孔和第二液体孔通过液体孔卡槽分别紧密连接所述进液管和废液管。
进一步的，所述传感探头包括DO探头、pH探头、葡萄糖探头、乳酸探头、一氧化氮探头，所述DO探头尖端由尺寸小于50μm的光纤组成，光敏染料掺入聚合物中并覆盖DO探头的尖端，基于Stern-Volmer方程利用光敏染料在氧气存在下的动态发光猝灭检测培养液DO的浓度；所述pH探头包含氧化铱电极，玻璃膜作为待测液和膜密封内部缓冲液之间的界面，利用电位差定量培养液pH；所述葡萄糖探头为铂电极并加入葡萄糖氧化酶、牛血清白蛋白和戊二醛交联剂，实时跟踪培养液葡萄糖水平；所述乳酸探头内含铂电极、固定化乳酸脱氢酶、辅酶作为媒介在乳酸脱氢酶和电极之间穿梭电子，通过氧化电流量化培养液中的乳酸浓度；所述一氧化氮探头内包括铂电极及可选择性透过一氧化氮的聚丁香酚膜，通过电化学法测定培养液的一氧化氮浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、通过反馈控制系统将传感器、微流控装置与高内涵细胞成像仪连接形成类器官培养监测平台，替代了传统培养箱，提供了一种在培养环境中进行全面便捷的图像采集、环境监测及培养液成分检测的方式，在保证培养环境稳定的同时，实现了培养监测的精准化和自动化，不仅更加适应类器官的培养过程，而且有利于提高培养成功率和节省人力资源，降低了污染风险和培养环境改变造成的不良影响。2、微流控系统经过多路复用，可以精准的将多种不同成分的培养基定量加入不同的培养孔中，提高了培养效率。3、在培养小室底部嵌入微型传感芯片，能够获得DO和pH等多种参数，起到同时监测培养基更新过程中营养水平和废物水平的作用。
附图说明
图1为本发明实施例一整体结构示意图；
图2为本发明实施例一中微流控系统与培养系统结构示意图；
图3为本发明实施例一中微流控系统内槽示意图；
图4为本发明实施例一中培养小室外部结构示意图；
图5为本发明实施例一中培养小室内部结构俯视图；
图6为本发明实施例一中培养小室内部结构侧视图；
图7为本发明实施例一中培养小室内部的培养腔示意图；
图8为本发明实施例一中传感系统结构示意图；
图9为本发明实施例二中培养小室内部结构俯视图。
其中：1-微流控系统，2-培养槽，3-培养小室，4-密封外壳，5-液体泵，6-传感系统，7-成像分析仪，8-计算机，9-传感区，10-内槽，11-外槽，13-进液管，14-进液槽孔，15-废液管，16-废液槽孔，17-第一液体孔，18-第二液体孔，19-液体孔卡槽，21-第一微孔滤膜，23-接种孔，24-旋钮，25-吸液器，26-传感通道，27-检测室，28-DO探头，29-pH探头，30-葡萄糖探头，31-乳酸探头，32-一氧化氮探头，33-清水管，34-水箱，35-污水管，36-液体腔，37-培养孔，38-输入通道，39-输出通道，40-第二微孔滤膜，41-培养平面，42-第一多路复用器，43-第二多路复用器，44-培养腔，45-液体通道，46-水凝胶，47-微型传感芯片。
具体实施方式
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例一
图1-8示出了一种自动化类器官培养监测平台，该平台由微流控系统1、培养系统、高内涵系统及传感系统6四大部分组成，通过图像采集处理及传感器进行类器官生长状态的实时监测。
如图2、3所示，微流控系统1包括密封外壳4、液体泵5、进液管13、废液管15，密封外壳4内含有内槽10、外槽11，内槽10用于存放培养基，外槽11用于存放废液，内槽10中设置有若干液体腔36；密封外壳4顶部设有进液槽孔14及废液槽孔16，进液管13一端通过第一液体孔17连接培养系统，另一端与设置在进液槽孔14中的液体泵5相连，液体泵5与每个液体腔36均相连，液体泵5为多通路结构，能够从不同的液体腔36中汲取培养液，可实现同一培养小室3中多种液体或气体的同时流通；废液管15一端通过废液槽孔16与外槽11连接，另一端通过第二液体孔18连接培养系统；废液管15上设置传感区9，液体可通过传感区9进出传感系统6。液体泵5内设控制系统，可通过液体泵5施加不同的压力，控制内槽10中的培养基以不同的流量流入培养系统中，从而实现培养基的自动更新，内槽10中液体流空时液体泵5自动关闭。
如图4-6所示，培养系统包括设置在培养槽2中的若干培养小室3、设置在培养小室3中的培养孔37。培养小室3内搭载环控装置，可控制培养小室3内温度、湿度、氧气及二氧化碳浓度。培养槽2带有编码，对应放置各培养小室3。培养小室3为独立结构，材质为光学透明的原生聚苯乙烯，上壁设有一接种孔23及接种孔旋钮24，可通过转动旋钮24打开接种孔23，将类器官经接种孔23接种入培养小室3内的培养孔37中；培养小室3侧壁设有第一液体孔17和第二液体孔18，第一液体孔17和第二液体孔18上设置有0.22μm第一微孔滤膜21，可阻止细胞通过。通过第一液体孔17和第二液体孔18外侧设置的液体孔卡槽19，进液管13与废液管15可紧密连接于第一液体孔17和第二液体孔18。通过微流控系统1，各培养小室3可同时进样以及出样。
如图8所示，传感系统6包括吸液器25、检测室27、各类传感探头、水箱34等，吸液器25通过连接各废液管15的传感区9，从废液管15中吸取固定量的液体流经传感通道26进入检测室27，待测液体流入对应的检测室27后检测室27关闭；检测室27内搭载多种传感探头，能够检测培养液中的DO、pH、葡萄糖、细胞代谢产物如乳酸、氮化物、一氧化氮等。其中，DO探头28尖端由尺寸小于50μm的光纤组成，光敏染料掺入聚合物中并覆盖探头28的尖端，基于Stern-Volmer方程利用光敏染料在氧气存在下的动态发光猝灭检测DO的浓度；pH探头29包含氧化铱电极，玻璃膜作为待测液和膜密封内部缓冲液之间的界面，利用电位差定量pH；葡萄糖探头30为铂电极并加入葡萄糖氧化酶、牛血清白蛋白和戊二醛交联剂，实时跟踪葡萄糖水平；乳酸探头31内含铂电极、固定化乳酸脱氢酶、辅酶(NAD或NADP)作为媒介在乳酸脱氢酶和电极之间穿梭电子，通过氧化电流量化培养液中的乳酸浓度；一氧化氮探头32内含铂电极及可选择性透过一氧化氮的聚丁香酚膜，通过电化学法测定一氧化氮浓度。清水管33连接传感通道26和水箱34，使用水箱34中的去离子水经过清水管33在每次检测后对传感通道26、检测室27及各传感探头进行自动清洗，待测液检测完成后与清洗废液经污水管35汇入废液管15中；传感系统6连接于计算机8。
高内涵系统含有高内涵细胞成像分析仪7，成像分析仪7可在不破坏培养环境的情况下获取、存储和处理类器官图像数据。培养小室3符合高内涵成像板规格；成像组件板在x-y轴上移动，生成每个培养小室3的明场图片，使用图像分析算法对获取的图像进行自动处理，提高图像对比度，根据亮度值自动识别类器官区域/非类器官区域并对类器官直径、面积、周长、数量、圆度及暗度值的进行量化，同时将相关图像及数据传输至计算机端8形成生长曲线；成像分析仪7连接于计算机8。
优选的，每个培养孔37均带有编码，各培养孔37分别与输入通道38和输出通道39相连，可同时进样以及出样，连接处设有0.22μm的第二微孔滤膜40，可阻止细胞通过，输入通道38及输出通道39水平位置高于培养平面41；输入通道38汇合至培养小室3一端的第一液体孔17，输出通道39汇合至培养小室3另一端的第二液体孔18。
优选的，共培养时培养小室3中培养孔37采用生物相容性好的PDMS材质，对CO2和O2具有高度渗透性，从而保证了气体在培养小室3周围的大气和培养孔37中的培养基之间的快速交换；如图7所示，多个培养孔37之间通过液体通道相互连接，形成培养腔44，每个培养腔44可同时进样以及出样。
优选的，在培养孔37底部水凝胶46中嵌入微型传感芯片47，能够获得DO和pH等多种参数，同时监测培养基更新过程中营养水平和废物水平。
优选的，内槽10中盛放固定浓度的含药培养基，可实现类器官高通量药敏检测。
正常培养状态时，打开接种孔旋钮24，将类器官经接种孔23接种入培养小室3中。将培养小室3分别经由进液管13和废液管15连接内槽10和外槽11，保持适宜的温湿度及二氧化碳浓度进行培养，废液管15上传感区9连接至培养系统侧壁传感系统6的吸液器25上。
向内槽10中的各个液体腔36中补充足量培养基，打开液体泵5，并设置20min后自动进液，则20min后液体泵5吸取固定量的培养基，培养基通过进液管13进入培养系统各个培养小室3，待每个培养小室3培养基充足后自动停止，6小时后自动开启并持续运作，流量为每小时更新9％的培养小室体积的培养基，每天消耗约2mL培养基。废液通过废液管15流至外槽11中。
培养系统放置于高内涵细胞成像分析仪7成像板上，高内涵细胞成像分析仪7自动进行扫描、拍摄，生成明场照片及器官直径、面积、周长、数量、偏心率、暗度值数据，并传输至计算机8，当类器官数量、直径、面积、周长不再增加，圆度出现降低及暗度值出现增长时显示传代提示信号。
吸液器25通过废液管15从培养小室3中吸取固定量的液体，经传感通道26进入检测室27中，在不同检测室27中采用离子选择电极电位测定法、电流测定法和酶反应依赖生物传感器检测培养液中DO、pH、葡萄糖、乳酸、氮化物、一氧化氮等的含量，完成对类器官培养环境的连续监测。当DO减小，pH过小，葡萄糖浓度降低且乳酸或氮化物及一氧化氮浓度明显升高时自动增加液体泵5流量，对培养小室3整体换液。
实施例二
如图9所示，第一液体孔和第二液体孔分别通过第一多路复用器和第二多路复用器分为若干支路后连接培养孔，进液管13将液体输送至第一多路复用器42，进而将液体分配到培养小室3的任何一个独立的培养孔37中，输出侧设有一个相同的第二多路复用器43将从每个培养孔37中的液体引导至外槽11，允许将非常精确剂量的培养基注入每个培养孔37。当其中一个培养孔37正在处理时，第一多路复用器42状态阀门切换，防止流出液体通过反扩散和回流到达任何其他培养孔37，流量由应用于液体泵5的驱动周期数控制，流速由第一多路复用器42阀门开关的频率控制。其他结构与实施例一相同。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自动化类器官培养监测平台，其特征在于：包括微流控系统(1)、培养系统、传感系统(6)、高内涵系统；
所述微流控系统(1)包括密封外壳(4)、用于盛放培养液的内槽(10)、用于盛放废液的外槽(11)，液体泵(5)、进液管(13)、废液管(15)，所述内槽(10)和外槽(11)设置在所述密封外壳(4)中，所述进液管(13)的一端通过进液槽孔(14)连接内槽(10)，另一端连接培养系统，所述废液管(15)的一端通过废液槽孔(16)连接外槽(11)，另一端连接培养系统，所述液体泵(5)设置在所述进液槽孔(14)内，所述废液管(15)上设置有传感区(9)；
所述培养系统包括设置在培养槽(2)中的若干培养小室(3)、设置在所述培养小室(3)中的培养孔(37)、第一微孔滤膜(21)，所述培养小室(3)侧面设置有第一液体孔(17)和第二液体孔(18)，所述进液管(13)和废液管(15)分别通过所述第一液体孔(17)和第二液体孔(18)连接培养孔(37)，培养小室(3)的顶部设置有通过旋钮(24)开合的接种孔(23)，用于向培养孔(37)中接种类器官，所述第一微孔滤膜(21)设置在第一液体孔(17)和第二液体孔(18)上，用于阻止细胞通过；
所述传感系统(6)包括吸液器(25)、检测室(27)、传感探头、水箱(34)，所述吸液器(25)的一端连接所述传感区(9)，另一端通过传感通道(26)连接所述检测室(27)，所述传感探头设置在所述检测室(27)内，用于检测培养液的各项参数，所述水箱(34)设置在检测室(27)的底部，用于冲洗检测室(27)；
所述高内涵系统包括成像分析仪(7)、计算机(8)，所述成像分析仪(7)设置在所述培养系统外侧，用于获取培养孔(37)内的类器官图像数据，所述计算机(8)连接成像分析仪(7)和传感系统(6)。
2.根据权利要求1所述一种自动化类器官培养监测平台，其特征在于：所述内槽(10)中设置有若干液体腔(36)，所述液体泵(5)与每个液体腔(36)均相连，液体泵(5)为多通路结构，能够从不同的液体腔(36)中汲取培养液。
3.根据权利要求1所述一种自动化类器官培养监测平台，其特征在于：所述第一液体孔(17)和第二液体孔(18)分别通过输入通道(38)和输出通道(39)连接所述培养孔(37)，连接处设置有规格为0.22μm的第二微孔滤膜(40)，所述输入通道(38)和输出通道(39)的水平位置高于培养孔(37)内底部的培养平面(41)。
4.根据权利要求1所述一种自动化类器官培养监测平台，其特征在于：所述第一液体孔(17)和第二液体孔(18)分别通过第一多路复用器(42)和第二多路复用器(43)分为若干支路后连接所述培养孔(37)。
5.根据权利要求3或4所述一种自动化类器官培养监测平台，其特征在于：多个培养孔(37)之间通过液体通道(45)相互连接，形成培养腔(44)。
6.根据权利要求1所述一种自动化类器官培养监测平台，其特征在于：所述培养孔(37)底部水凝胶(46)中嵌入有微型传感芯片(47)，用于监测培养基更新过程中的营养水平和废物水平。
7.根据权利要求1所述一种自动化类器官培养监测平台，其特征在于：所述培养小室(3)采用光学透明的原生聚苯乙烯材质制成，所述培养孔(37)采用生物相容性好的PDMS材质制成。
8.根据权利要求1所述一种自动化类器官培养监测平台，其特征在于：所述培养小室(3)内设置有环控装置，能够控制培养小室(3)内温度、湿度、氧气及二氧化碳浓度。
9.根据权利要求1所述一种自动化类器官培养监测平台，其特征在于：所述第一液体孔(17)和第二液体孔(18)通过液体孔卡槽(19)分别紧密连接所述进液管(13)和废液管(15)。
10.根据权利要求1所述一种自动化类器官培养监测平台，其特征在于：所述传感探头包括DO探头(28)、pH探头(29)、葡萄糖探头(30)、乳酸探头(31)、一氧化氮探头(32)，所述DO探头(28)尖端由尺寸小于50μm的光纤组成，光敏染料掺入聚合物中并覆盖DO探头(28)的尖端，基于Stern-Volmer方程利用光敏染料在氧气存在下的动态发光猝灭检测培养液DO的浓度；所述pH探头(29)包含氧化铱电极，玻璃膜作为待测液和膜密封内部缓冲液之间的界面，利用电位差定量培养液pH；所述葡萄糖探头(30)为铂电极并加入葡萄糖氧化酶、牛血清白蛋白和戊二醛交联剂，实时跟踪培养液葡萄糖水平；所述乳酸探(31)头内含铂电极、固定化乳酸脱氢酶、辅酶作为媒介在乳酸脱氢酶和电极之间穿梭电子，通过氧化电流量化培养液中的乳酸浓度；所述一氧化氮探头(32)内包括铂电极及可选择性透过一氧化氮的聚丁香酚膜，通过电化学法测定培养液的一氧化氮浓度。
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| CN118879481A (zh) * | 2024-08-05 | 2024-11-01 | 长春艺夫生物科技有限公司 | 一种对人肠癌类器官进行药敏测试设备及方法 |
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| CN118879481B (zh) * | 2024-08-05 | 2025-04-08 | 长春艺夫生物科技有限公司 | 一种对人肠癌类器官进行药敏测试设备及方法 |
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