细胞/组织/类器官代谢分析仪—IMOLA-IVD

灌流式、多参数

细胞/组织/类器官代谢分析仪—IMOLA-IVD

北京佰司特科技有限责任公司正式签约德国cellasys公司的细胞/组织/类器官分析仪—IMOLA-IVD，与德国cellasys一起在中国成立cellasys China办公室，负责德国cellasys公司在中国大陆地区，香港，澳门，台湾以及新加坡的业务，主要业务为灌流式、多参数、实时代谢监测细胞/组织/类器官分析仪—IMOLA-IVD的市场推广，客户拜访，宣传讲座，路演DEMO，销售定价，投标签约，进出口以及安装售后等所有事宜。

      细胞代谢主要是指细胞从环境中摄取营养物质，消化吸收后排放出降解物或杂质。大多数碳水化合物，例如葡萄糖，都是细胞的营养物质。在有氧条件下，葡萄糖被细胞摄取后在胞浆内转变成丙酮酸，然后进入三羧酸循环代谢，最终变成二氧化碳并产生能量；在缺氧条件下，葡萄糖在细胞内代谢为乳酸以提供能量。总体而言，细胞代谢增强时，葡萄糖的消耗增加，酸性的代谢产物也相应增加，反之亦然。此外，外界环境因素对贴壁细胞的作用经常影响到细胞的粘附和融合度，而细胞的粘附状态是与细胞骨架的组织性和膜的完整性相关的，如果受到环境因素干扰，细胞则会改变其粘附方式，可能变圆或完全脱离基底。因此，监测这些参数就能很好的了解细胞、组织、类器官生长过程中的细胞生理状态和代谢行为。

德国cellasys公司生产的灌流式、多参数、实时代谢监测的细胞/组织/类器官分析仪—IMOLA-IVD，是一种基于生物芯片的微生理参数测量系统，对活细胞/组织/类器官的代谢和形态进行无标记实时监测，搭配自动化灌流系统进行换液或者加药，可以实现几周的连续测量，研究药物对活细胞/组织/类器官的影响以及移除药物后的恢复和再生效应。通过生物芯片技术，可以培养大尺寸的组织器官（1cm大小）或者transwell小室培养的组织，以及商业化的组织和器官培养物。实时监测培养过程中活细胞/组织/类器官的多个参数的变化，包括细胞耗氧率（pO2）、细胞产酸率（EAR，pH）、 细胞层的跨膜电阻值（impedance，TEER，[Z]）和培养基的温度（Temperature）。

• 6个独立的模块可以单独控制每一个样品的溶液，分别有6个独立的灌流泵来控制每个通道的灌流系统，保证每个通道的独立性，可以连续长时间监测6种细胞、组织、类器官的生理活动和代谢情况。

• 芯片电极监测，而不是通用的光学检测技术，其检测灵敏度更高，检测时间更长，避免培养基颜色变化带来的干扰。

• 封闭的体系设计保证了整个微流控灌流过程和培养过程的自动化和无菌环境。

• 微流控系统保证换液次数及频率（1-4分钟换液一次），始终保持培养环境新鲜，O2充足，不会累积代谢废物，不会影响细胞/组织/器官的生长，可以长时间培养检测细胞和类器官（14天以上）。

• 独特的灌系统可实现细胞培养溶液的自动更新，适合长时间检测细胞/组织/类器官的生理行为变化，以及观察外界条件（加药等）处理后的细胞/组织/类器官的再生等效应。

• 自动加药或诱导因子，确保细胞分化为类器官以及长期的生长状态。

• 无需标记物、非入侵式、不用额外的试剂、不接触细胞、不破坏细胞结构、不需人员监控、全自动检测采集数据，并且分析导出曲线。

• 可以研究多次加药后细胞耐受，不同药物的叠加效应，以及加药后的细胞和类器官的再生恢复效应。

工作原理

      微生理测量法监测活细胞、组织、类器官的代谢活动。除了监测细胞呼吸和细胞外酸化，细胞粘附和形态参数同样提供了很多关于生命活动的有价值的信息。我们的生物芯片集成了微型传感器来评估这些参数，确保了高灵敏度和稳定性，并且该方法是无需标记，并实时连续提供多个参数的数据。使用DALiA客户端3.1应用程序，可以对测量过程进行编程并记录数据。

IMOLA-IVD技术可以分析由自动化灌流系统之中的生物芯片所获取的代谢数据，数据来源于用新鲜的细胞培养基或培养基的成分。

细胞类型:

      针对所有类型的培养物提供不同的合适的配件；

         对于特殊实验还可以通过对生物芯片的涂层来优化培养效果；

      悬浮细胞、贴壁细胞、球体、Transwell细胞培养小室；

         大尺寸的组织器官（1cm大小）或者transwell小室培养的组织、以及商业化的组织和器官培养物；

应用案例

1. 毒理动力学（细胞/组织/类器官）

      监测培养的活细胞的活力是阐明化学物质的毒理动力学效应的关键。

• 氯化汞是分析化学的重要试剂，可作为消毒剂和防腐剂。
• 通过3T3细胞的细胞产酸率（EAR，pH）来检测氯化汞的毒性作用。
• 氯化汞被去除后，细胞恢复了正常的代谢指标，说明该过程是可逆的。
• 细胞类型： 3T3小鼠胚胎成纤维细胞，贴壁细胞 

      10%十二烷基硫酸钠溶液(7次稀释)对成纤维细胞的毒性作用可以通过细胞阻抗(Z)来解释。细胞类型：L929成纤维细胞，贴壁细胞。

有了自动灌流系统，在活体类似的情况下，可以映射到体外实验。细胞外酸化率用于评估不同浓度十二烷基硫酸钠溶液对HepG2肝球蛋白的毒性。细胞类型：Hep-G2肝癌球体细胞。

      表皮(RhE)是在保持临界气液界面的形成的，实时测量跨表皮细胞层电阻（TEER）。细胞类型：人类表皮细胞（RhE）， transwell细胞小室。

2. 药物开发（细胞/组织/类器官）

      可以研究新药对细胞/组织/类器官代谢和生理形态的影响。测定了抗肿瘤药物牛蒡根素对PANC-1细胞系的影响，记录了实时生物电阻的变化。细胞类型：PANC-1人胰腺癌，贴壁细胞。

3. 环境监测（细胞/组织/类器官）

      以藻类的代谢活性为指标来进行水质监测。本例显示了克氏小球藻在被苯嗪草酮污染后光合活性的降低，去除毒素后光合活性的恢复。细胞类型：chlorella kesslerialgae小球藻，悬浮细胞。

4. 医学研究（细胞/组织/类器官）

      为了在治疗前评估药物的有效性，可以测试药物对病人的细胞/组织/类器官的代谢学影响。

• 胰岛，特别是产生胰岛素的beta细胞，可以在不同的营养供应条件下表现出不同的代谢活性。在该实验中，当暴露于相当于生理上低血糖和高血糖水平的葡萄糖浓度时，可检测到beta细胞系的代谢活动呈现出明显区别，反应了不同条件下的胰岛素分泌的不同。（Gln 谷氨酰胺；Glc葡萄糖）
• 细胞类型：INS-1E，beta细胞系，贴壁细胞

      Cisplatin（顺铂）是一种有效的抗癌药物，用于治疗多种实体瘤，如卵巢癌和肺癌等，并用于辅助治疗神经胶质瘤。

• Cisplatin与DNA的嘌呤碱基交联，干扰DNA的修复机制，引起DNA损伤，激活多条信号转导通路，包括ERK、p53、p73和MAPK，其中对激活凋亡影响最大，诱导细胞凋亡。
• 细胞类型：MCF-7人乳腺癌细胞

5. 类器官监测 芯片上的类器官：通过自动气液界面监测皮肤类器官的细胞产酸率和跨膜电阻值

Skin-on-a-Chip，Genes, 2018, 9, 114

• 作为人体最大的器官，皮肤代表着人体内部和外部环境之间的结构学屏障，将体内器官与毒素、病原体隔离开来，并保护内部器官免受紫外线辐射。除了屏障功能，人体皮肤还执行人体的几个基本功能，如热调节、感觉和排泄。皮肤是人体抵御外部环境的影响的第一防护罩，新的化学物质的研究，如药物和毒素，分析和评估其对皮肤完整性的影响就是必不可少的。因此，人们开发了3D皮肤类器官模型来再现体内结构，培养出三维重建人表皮模型（reconstructed human epidermis，RhE），用于在制药、化妆品和环境研究中评估皮肤暴露于外源性物质后的毒性反应。

• 通过IMOLA分析仪监测皮肤类器官模型的细胞产酸率（EAR，pH）和 细胞层的跨膜电阻值（impedance，TEER，[Z]）。通过连续监测RhE细胞模型超过48小时的TEER和EAR数据表明， IMOLA分析仪可以长时间稳定培养芯片上的皮肤类器官，并监测整个代谢过程。

6. 类器官监测 芯片上的类器官：在Transwell上监测人体小肠类器官的跨膜电阻值

Tissue-on-a-Chip, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, August 2020

• 药物毒性的研究之中，重要的一点就是要肠道的吸收。临床前体内评估通常依靠小鼠或大鼠模型。然而动物模型不能完全准确地预测药物对于人体各个方面的效应。从结肠（大肠）癌中提取的Caco-2细胞广泛应用于体外药物吸收和毒性评估的。但是，细胞系和小肠组织的相关性有限，目前只能预测跨细胞（细胞内途径）渗透过程。此外，贴壁单层Caco-2缺乏细胞-细胞和细胞-细胞外基质的相互作用，不能模拟人小肠的多层复杂结构。

• 为了克服这种生理相关性的不足，科学家开发了新的三维重建人体组织模型，在整合的气液界面（ALI）上培养三维小肠类器官—EpiIntestinal-FT。这个基于人体细胞的3D类器官整合了肠上皮细胞、Paneth细胞、M细胞、簇细胞和肠道干细胞以及人肠道成纤维细胞，可以用来表征肠道功能，包括屏障、代谢、炎症和毒性反应。

• 通过三通道IMOLA分析仪，监测EpiIntestinal-FT的细胞层的跨膜电阻值（impedance，TEER，[Z]）。整个测量过程是非侵入性的、实时的，并且周期性自动更新培养基。在电阻值测量中，培养小室的顶部分别注入培养基，PBS和2.0% SDS。该系统在三个通道中都有一个自动的ALI，可以一次在三个芯片上进行平行实验。

7. 多类器官串联监测 生物芯片上的多器官串联—多类器官代谢分析

Label-free monitoring of whole cell vitality, 35th Annual International Conference of the IEEE EMBS, Osaka, Japan, 3 – 7 July, 2013, 1607-1610

• IMOLA-IVD是一种用于在线分析活细胞组织类器官的系统解决方案。它利用生物芯片BioChip-C直接监测活细胞组织类器官的代谢学参数和活细胞形态变化（生物阻抗）。样本无需标记，可以并行或串联，连续且实时进行数周监测。使用活细胞/组织/类器官作为样本在体外研究药物的毒性，以评估药物对活细胞/组织/类器官的作用和效应。

• 该系统优势包括：多参数（代谢学和形态学测定）、长期连续、无需标记、高灵敏度以及优化的灌流系统（可进行实时连续换液，加药，去药等过程）。 该系统的模块化结构设计，可通过灌流系统实现多器的官串联培养监测。模块1培养的是具有代谢活性的细胞类器官（如HepG2三维细胞球）。这些细胞将前体药物转化为活性药物后，被灌流系统传送到敏感反应的效应细胞类器官（模块2）中，实时监测其效果。为了得到更准确的结果，必须抑制各个传感器单元之间的电流干扰，减少试验的干扰，将外界的影响降到最低。

• 为确保独立测量所有细胞电信号，我们对细胞呼吸进行了长期监测，并在23小时后向储液瓶中加入了SDS。结果显示模块2中的细胞受到影响的时间比模块1中的细胞晚了20分钟。这是由于泵速以及模块1与模块2之间的连接导致的延迟。该系统的优势在于两种不同细胞或类器官可以完全独立监测，这是混合共培养无法实现的。若模块1中细胞代谢活性非常低，则可能无法在介质通过时积累足够的活性物质。对于这种特殊情况，可以使用由蠕动泵来控制和调节液体流动的速度和体积。

发表的文献：

ASSAYING PROLIFERATION CHARACTERISTICS OF CELLS CULTURED UNDER STATIC VERSUS PERIODIC CONDITIONS

Gilbert, D.F., Friedrich, O., Wiest, J. Methods in Molecular Biology, vol 2644. Humana, New York, NY, 2023.

Systems engineering of microphysiometry

Joachim Wiest, Organs-on-a-Chip, Volume 4, December 2022.

CASE STUDIES EXEMPLIFYING THE TRANSITION TO ANIMAL COMPONENT-FREE CELL CULTURE

Weber, T., Wiest, J., Oredsson, S. Alternatives to Laboratory Animals, 2022.

PRACTICAL WORKSHOP ON REPLACING FETAL BOVINE SERUM (FBS) IN LIFE SCIENCE RESEARCH: FROM THEORY INTO PRACTICE

Eggert, S., Wiest, J., Rosolowski, J. and Weber, T. ALTEX – Alternatives to animal experimentation, 2022.

SENSITIVITY AND PHOTOPERIODISM RESPONSE OF ALGAE-BASED BIOSENSOR USING RED AND BLUE LED SPECTRUMS

Umar, L., Aswandi, F., Linda, TM., Wati, A., Setiadi, RN. AIP Conf. Proc. 2320, 050016, 2021.

Tissue-on-a-Chip: Microphysiometry With Human 3D Models on Transwell Inserts

Christian Schmidt, Jan Markus, Helena Kandarova and Joachim Wiest. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, August 2020.

FOURIER ANALYSIS IN MICROPHYSIOMETRY

Wiest, J. In Advances in Medicine and Biology 136, Nova Science Publisher, Inc., 2019.

Proliferation characteristics of cells cultured under periodic versus static conditions

Gilbert, D.F., Mofrad, S.A., Friedrich, O., Wiest, J. Cytotechnology, 4. December 2018.

Skin-on-a-Chip: Transepithelial Electrical Resistance and Extracellular Acidification Measurements through an Automated Air-Liquid Interface

Alexander F.A., Eggert S., Wiest J. Genes, 9(2), 2018.

Microphysiometry

Brischwein M., Wiest J. (2018). In: Bioanalytical Reviews. Springer, Berlin, Heidelberg, 6. February 2018.

FETAL BOVINE SERUM (FBS): PAST – PRESENT – FUTURE

van der Valk, J. et al. ALTEX – Alternatives to animal experimentation. 35, 1, 99-118, 2018.

A novel lab-on-a-chip platform for spheroid metabolism monitoring,

Alexander F.A., Eggert S., Wiest J. Cytotechnology, 70/1, 375-386, 2018.