基于物理作用加速循环的快速动物组织处理系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于物理作用加速循环的快速动物组织处理系统和方法，所述组织处理利用处理液进行处理，所述组织处理系统包括：物理加速子系统，该子系统包括超声模块和微波模块，所述超声模块用于对目标对象施加超声波，所述微波模块用于对目标对象施加微波，从而加速处理液在所述组织中的扩散。本发明专利技术提供的在体全器官组织处理解决方案通过其快速与自动化的特性，为研究者提供简单可行的全器官处理，从而推动器官研究、病例评估、脑图谱构建等领域的发展。领域的发展。领域的发展。

【技术实现步骤摘要】
基于物理作用加速循环的快速动物组织处理系统和方法


[0001]本专利技术总体上涉及基于物理作用加速循环的快速动物组织处理系统和方法。具体来说，涉及用于动物在体快速全器官组织处理及标记的、基于物理作用加速的闭环控制系统和方法，例如基于经心灌注的、快速的在体全器官组织处理系统。

技术介绍

[0002]要想对生物系统进行全面深入的理解，我们需要将完整组织器官的三维结构特征与分子生物学特征进行整合。例如，在大脑这一哺乳动物最复杂的器官中，具有分子特异性的神经元及神经连接介导了动物对外界信息的处理，从而完成从感知输入到行为输出的复杂功能。
[0003]尽管对组织进行切片、再进行薄切片组织处理与染色标记及成像作为传统的方法已经广泛应用于生理学、病理学、脑科学等多数生命科学领域，但是切割后的组织薄片却很难复原成整个器官的完整三维结构，并且需要对大量切片进行操作，非常耗时耗力、不经济，且很难保证样本质量与组织的均一性。
[0004]为了克服传统薄切片成像方法的缺陷，获得全器官完整、连续的结构信息，研究者开发了各种大体积组织显微成像工具。例如，序列双光子显微镜技术(two photon microscopy)、光片显微镜技术(light sheet microscopy)等光学成像技术直接对大块组织进行三维成像和重建；显微切片光学断层成像系统(micro
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optical
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sectioning tomography,MOST)则结合了超薄切片技术与荧光成像技术，重复对树脂包埋硬化的组织进行断面成像与切片移除的过程，从而最终获取整个组织的三维图像。这些优秀的成像工具的发展也使得大规模的大体积组织样本的处理和制备成为迫切需求。
[0005]然而，受限于分子扩散进入致密组织的速度与均匀分散的能力，全器官组织处理与标记一直是一个难度大、耗时长的难题。无论是全器官透明化的组织处理目标，还是全器官免疫荧光染色(immunofluorescent staining,IF)等外源分子标记手段，都通常需要将组织浸制在处理液中一周或数周的时间，并且很难保证组织处理效果的均一性与可重复性。进一步地，目前大部分应用于小鼠等相对较小组织都需要较长时间的被动浸制方法则更难应对灵长类甚至人体组织等更大的组织。缺乏稳定、快速、高效的全器官组织处理及标记技术严重制约了全器官成像方法的应用，进一步限制了我们对生物器官的结构与功能的全面而系统性的理解。
[0006]现有的全器官组织处理及标记方法主要依赖于在组织处理液中的被动浸置，但是限于分子在致密生物组织中的扩散速度，浸置的方法耗时很长，并且很难保证其效果的均一性与可重复性。以小鼠全脑处理为例，使用抗体进行浸置染色通常需要一个月以上。小鼠全脑组织透明化也通常需要1
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3周，因不同方法和效果需求而异，如iDisco、CLARITY、SHEILD、CUBIC
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X和ScaleS等；且操作繁复，无法自动化，可重复性差，不能应用于有大量数据需求的场景，如药物筛选、病例特征评定、数据库构建等。
[0007]CN111458199A公开了一种叠加超声振动的自动化组织透明化系统及透明工艺，其
在组织透明化的过程中叠加超声振动，利用超声振动加速透明化试剂向组织中扩散。另外，也存在一些其他采用摇动、电场、超声和高温的方式加速浸泡过程中组织块通透的方法。然而，这些方法采用被动浸置的方式，将目标组织放置于充满组织处理溶液的工作容器中，例如叠加低功率超声的目的是加速浸泡过程中的组织通透，因此具有以下缺陷。一方面，无法有效解决组织处理效果不均一的问题，另一方面则受不同组织深度不均一性的影响而加速作用有限。
[0008]此外，针对大动物的全器官组织处理及标记的难度更高，所需时间成本也更长。一些基础的组织处理步骤，如冷冻保护、后固定等，在大动物中的处理时间会成倍地增长。小鼠脑的蔗糖冷冻保护通常需要3
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4天，大鼠脑则需要接近一周，而猴等更大的动物则时间更长。对大动物的超大组织进行复杂的组织处理过程，比如组织透明化或免疫荧光染色，则由于所需时间过长、实际效果过差几乎变得不可能。
[0009]现有的一些利用动物自身血液循环系统的基于灌流的组织处理及标记方法(PACT,PARS)没有超声、微波等物理加速因素，处理液体中的有效分子无法充分跨越血脑屏障或其他血管
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组织屏障，故效果有限，依然需要两周左右的时间。此外，由于管路回收位置及管路设计，循环所需液体量很大，不够经济；自动化程度不够，没有自动化换液的优化设计，操作依然依赖人工，操作复杂；且缺乏必要的与组织处理目的相匹配的实时监测和反馈控制。

技术实现思路

[0010]为解决现有全器官组织处理及标记技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种快速高效、稳定经济、全自动化的在体全器官组织处理方案，包括闭环反馈、多通道的硬件系统设计和器官特异性的灌流结扎手术。
[0011]具体而言，本专利技术提供一种基于物理作用加速循环的快速动物组织处理系统，所述组织处理利用处理液进行处理，所述组织处理系统包括：
[0012]物理加速子系统，该子系统包括超声模块和微波模块，所述超声模块用于对目标对象施加超声波，所述微波模块用于对目标对象施加微波，从而加速处理液在所述组织中的扩散。
[0013]在一个实施方式中，所述组织处理利用动物循环系统进行在体灌注。
[0014]在一个实施方式中，所述超声模块包括超声振子及其驱动板，
[0015]所述微波模块包括高功率变压器、驱动电路、磁控管及微波探头。
[0016]在一个实施方式中，所述组织处理系统还包括：
[0017]管路控制子系统，该子系统用于控制所述处理液通过循环管路的灌注、排废和/或回收；和/或
[0018]实时监控和闭环反馈控制子系统，该子系统用于监测和控制目标对象的温度和循环管路中处理液的压强；
[0019]在一个实施方式中，所述管路控制子系统包括循环动力模块、通道选择模块和管路切换模块，
[0020]所述循环动力模块包括位于所述循环管路的入液端的入流蠕动泵或位于所述循环管路的出液端的出流蠕动泵，所述入流蠕动泵和所述出流蠕动泵优选多通道蠕动泵，例
如四通道蠕动泵，所述蠕动泵的泵头夹持循环管路中的软管，从而为所述循环管路提供动力；
[0021]所述通道选择模块包括位于所述入流蠕动泵的出液端的一个或多个通道选择多向阀和位于所述出流蠕动泵的入液端的一个或多个通道选择多向阀，所述通道选择多向阀例如电控三向阀，所述多向阀的一向接入空气；
[0022]所述管路切换模块包括位于所述入流蠕动泵的入液端的一个或多个装载多向阀、位于所述入流蠕动泵的下游的吸液多向阀和位于所述出流蠕动泵的上游的回收多向阀，所述装载多向阀优选电控装载三向阀，所述装载多向阀的另一端接入废液缸，所述吸液多向阀和所述回收多向阀优选为电控九通道二位多向阀。
[0023]在一个实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于物理作用加速循环的快速动物组织处理系统，所述组织处理利用处理液进行处理，其特征在于，所述组织处理系统包括：物理加速子系统，该子系统包括超声模块和微波模块，所述超声模块用于对目标对象施加超声波，所述微波模块用于对目标对象施加微波，从而加速处理液在所述组织中的扩散。2.根据权利要求1所述的组织处理系统，其特征在于，所述组织处理利用动物循环系统进行在体灌注。3.根据权利要求1所述的组织处理系统，其特征在于，所述超声模块包括超声振子及其驱动板，所述微波模块包括高功率变压器、驱动电路、磁控管及微波探头。4.根据权利要求1所述的组织处理系统，其特征在于，所述组织处理系统还包括：管路控制子系统，该子系统用于控制所述处理液通过循环管路的灌注、排废和/或回收；和/或实时监控和闭环反馈控制子系统，该子系统用于监测和控制目标对象的温度和循环管路中处理液的压强。5.根据权利要求4所述的组织处理系统，其特征在于，所述管路控制子系统包括循环动力模块、通道选择模块和管路切换模块，所述循环动力模块包括位于所述循环管路的入液端的入流蠕动泵或位于所述循环管路的出液端的出流蠕动泵，所述入流蠕动泵和所述出流蠕动泵优选多通道蠕动泵，例如四通道蠕动泵，所述蠕动泵的泵头夹持循环管路中的软管，从而为所述循环管路提供动力；所述通道选择模块包括位于所述入流蠕动泵的出液端的一个或多个通道选择多向阀和位于所述出流蠕动泵的入液端的一个或多个通道选择多向阀，所述通道选择多向阀例如电控三向阀，所述多向阀的一向接入空气；所述管路切换模块包括位于所述入流蠕动泵的入液端的一个或多个装载多向阀、位于所述入流蠕动泵的下游的吸液多向阀和位于所述出流蠕动泵的上游的回收多向阀，所述装载多向阀优选电控装载三向阀，所述装载多向阀的另一端接入废液缸，所述吸液多向阀和所述回收多向阀优选为电控九通道二位多向阀。6.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑克鑫，辛凤媛，高一潇，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：