一种环形大脑类器官模型及其构建方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种环形大脑类器官模型及其构建方法与应用，所述环形大脑类器官构建方法包括：获得环形大脑类器官芯片，所述环形大脑类器官芯片包括细胞培养板；类器官培养机构；类器官固定支持机构；所述类器官固定支持机构包括：分隔件和设于分隔件中部的柱状件；将细胞悬液加入所述类器官培养腔室中，待细胞聚集以后，吸弃分隔件外侧的细胞，随后进行全培养流程的原位培养获得环形大脑类器官。本发明专利技术可在整个培养流程内原位构建高度均一、细胞凋亡减少的环形大脑类器官，同时支持原位成像。本发明专利技术还公开了的环形大脑类器官模型及其应用。应用。应用。

【技术实现步骤摘要】
一种环形大脑类器官模型及其构建方法与应用


[0001]本专利技术涉及组织工程和类器官芯片
，特别涉及一种环形大脑类器官模型及其构建方法与应用。

技术介绍

[0002]类器官是由人多能干细胞自组织分化而来的三维细胞培养物。类器官包含组织特异性的多种细胞类型，可反映早期组织发育特征，可再现体内对应组织的关键结构和功能。与动物模型相比，类器官不存在种属差异。与二维细胞模型相比，类器官在基因和蛋白质的表达、代谢功能和微尺度组织结构方面更接近原生器官。迄今为止，各种人源类器官(肠道、胃、视网膜、大脑、肝脏、肾、肺、胰岛和心脏等)已经被成功构建。在此基础上，类器官相关应用研究也取得了显著进展。例如，有研究应用大脑类器官揭示了大脑折叠的机制；应用肝导管类器官揭示了COVID
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19患者肝脏损伤的机制。此外，有团队使用肝癌类器官筛选了29种抗肿瘤的化合物；应用患者来源的转移性胃肠道类器官模型模拟了患者对药物处理的反应。上述研究说明类器官在发育和疾病研究、药物筛选和精准医疗方面具有重大的应用潜力。
[0003]其中，大脑类器官是模拟人类大脑发育过程所产生的具有人类大脑皮层类似的结构和多种细胞种群的(神经干细胞、神经元和星形胶质细胞等)体外脑组织模型，与人类胎儿皮层细胞类型具有高度相似性，并能重现大脑的部分功能(如神经网络和脑电波信号)。随着神经疾病负担日益增加、而基于二维细胞模型和小鼠模型进行神经疾病药物开发成功率低、人脑组织获取受到严格伦理限制。因此，可再现发育过程中人脑关键结构和功能的大脑类器官模型为神经疾病靶点研究和药物开发提供新机遇。
[0004]然而，现在通常采用的大脑类器官传统悬浮动态培养方案仍然存在一定的局限性。大脑类器官的传统悬浮动态培养方案包含四个阶段：拟胚体形成、神经外胚层诱导、神经上皮分化和大脑类器官成熟。其中，阶段的转换都需要对大脑类器官进行人为转移操作。上述培养方案存在以下局限性：1)传统悬浮培养方式由于难以精确控制培养环境和类器官融合的原因，产生的类器官不仅在大小和形态上存在差异，还在基因表达、结构和功能上存在差异；2)传统悬浮培养方式在培养过程中对大脑类器官进行了多次人为转移；这种方式操作复杂且伴随着类器官损伤风险和污染风险；3)悬浮培养方式不支持对大脑类器官进行长期原位观察；4)体积逐渐增大的大脑类器官出现坏死核心。
[0005]因此，为了克服上述大脑类器官传统悬浮动态培养方案的局限性，有必要开发一种可实现全培养流程原位培养和观察、高均一性、细胞死亡区域面积小的大脑类器官培养体系，促进大脑类器官应用研究的发展。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种基于环形大脑类器官培养芯片的环形大脑类器官模型及其构建方法与应用，以解决大脑类器官传统悬浮动态培养方案需多次转移、无法进行实时原位
观察、均一性差和存在核心坏死区的问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]在本专利技术的第一方面，提供了一种环形大脑类器官模型的构建方法，所述方法包括包括：
[0009]获得环形大脑类器官培养芯片，所述环形大脑类器官培养芯片，包括：
[0010]细胞培养板；
[0011]类器官培养机构，设于所述细胞培养板内；所述类器官培养机构上设有类器官培养腔室，所述类器官培养腔室两侧侧壁上设有侧孔，所述类器官培养腔室和所述侧孔一一对应相连通形成灌流通道；
[0012]类器官固定支持机构，设于所述类器官培养腔室内；所述类器官固定支持机构包括：分隔件和设于分隔件中部的柱状件；所述柱状件的顶部所在平面高于所述分隔件的顶部所在平面；所述类器官培养腔室的底部和所述类器官固定支持机构的底部与所述细胞培养板的底部相连通形成培养基储液池。
[0013]将细胞悬液加入所述类器官培养腔室中，待细胞聚集以后，吸弃分隔件外侧的细胞；向所述培养基储液池加入培养基，在神经分化阶段向所述类器官培养腔室中加入Matrigel进行全培养流程的原位培养，获得环形大脑类器官。
[0014]进一步地，所述分隔件外边界的俯视形状包括：圆形、椭圆形、半圆形、扇形、三角形、四边形、五边形、六边形和任意多边形中的一种。
[0015]进一步地，所述分隔件的宽度为0.1～2mm，所述分隔件的高度为0.05～10mm。
[0016]进一步地，所述柱状件的横截面形状包括：圆形、椭圆形、半圆形、扇形、三角形、四边形、五边形、六边形和任意多边形中的一种。
[0017]进一步地，所述柱状件的横截面积为0.03～13mm2，所述柱状件的高度为0.1～10mm。
[0018]进一步地，所述细胞培养板包括384孔板、96孔板、48孔板、24孔板、12孔板、6孔板、3.5cm培养皿、6cm培养皿、10cm培养皿的一种。
[0019]进一步地，所述类器官培养机构和类器官固定支持机构的材料包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯和树脂中的一种或多种。
[0020]进一步地，每个类器官培养腔室接种细胞数量为105～106个。
[0021]进一步地，类器官培养腔室的接种细胞包括人胚胎干细胞、人诱导多能干细胞、人成体干细胞、人肿瘤干细胞以及动物来源的干细胞。
[0022]在本专利技术的第二方面，提供了一种环形大脑类器官模型，由所述的方法构建获得。所述环形大脑类器官模型的形状为中空；均一性高，投影面积变异系数低于20％；细胞凋亡区域面积小，细胞凋亡区域占比低于20％。
[0023]在本专利技术的第三方面，提供了所述环形大脑类器官模型在神经发育相关生理和病理研究中的应用。
[0024]在本专利技术的第三方面，提供了一种环形大脑类器官培养芯片，包括：
[0025]细胞培养板；
[0026]设于所述细胞培养板内的类器官培养机构，所述类器官培养机构上设有类器官培养腔室，所述类器官培养腔室两侧侧壁上设有侧孔，所述类器官培养腔室和所述侧孔一一
对应相连通形成灌流通道；
[0027]设于所述类器官培养腔室内的类器官固定支持机构；所述类器官固定支持机构包括：分隔件和设于分隔件中部的柱状件；所述柱状件的顶部所在平面高于所述分隔件的顶部所在平面；所述类器官培养腔室的底部和所述类器官固定支持机构的底部与所述细胞培养板的底部相连通形成培养基储液池。
[0028]本专利技术实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0029]本专利技术在整个培养流程内原位构建了高度均一、细胞凋亡减少的环形大脑类器官，同时支持原位成像，且培养方法的步骤简单；具体地：
[0030](1)成本低且易于制造：本专利技术采用材料皆为市面上常见且价格低廉的材料。此外，本专利技术制造步骤简单，所需工具价值低且易于快速上手。因此，本专利技术适应于实验室和批量生产。
[0031](2)用户自定义：本专利技术的柱状件尺寸和形状、分隔件尺寸和形状均可根据具体需求进行设计和制备，适用于多种细胞和类器官培养。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环形大脑类器官模型的构建方法，其特征在于，获得环形大脑类器官培养芯片，包括：细胞培养板；设于所述细胞培养板内的类器官培养机构，所述类器官培养机构上设有类器官培养腔室，所述类器官培养腔室两侧侧壁上设有侧孔，所述类器官培养腔室和所述侧孔一一对应相连通形成灌流通道；设于所述类器官培养腔室内的类器官固定支持机构；所述类器官固定支持机构包括：分隔件和设于分隔件中部的柱状件；所述柱状件的顶部所在平面高于所述分隔件的顶部所在平面；所述类器官培养腔室的底部和所述类器官固定支持机构的底部与所述细胞培养板的底部相连通形成培养基储液池；将细胞悬液加入所述类器官培养腔室中，待细胞聚集以后，吸弃分隔件外侧的细胞后，进行全培养流程的原位培养，获得环形大脑类器官。2.根据权利要求1所述的环形大脑类器官模型的构建方法，其特征在于，所述柱状件的横截面积为0.03～13mm2，所述柱状件的高度为0.1～10mm。3.根据权利要求1所述的环形大脑类器官模型的构建方法，其特征在于，所述分隔件的宽度为0.1～2mm，所述分隔件的高度为0.05～10mm。4.根据权利要求1所述的环形大脑类器官的构建方法，其特征在于，每个所述类器官培养腔室的接种细胞数量为105～106个。5.根据权利要求1所述的环形大脑类器官模型的构建方法，其特征在于，所述类器官培养...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈璞，陈涛，赵稳，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：