具有改进的使用寿命和体内平衡的多器官芯片的制作方法
【专利说明】具有改进的使用寿命和体内平衡的多器官芯片
【背景技术】
[0001] 小型三维（3D)器官或类器官培养系统具有逐渐增加的学术利益和经济利益。这 些3D培养系统的目标在于允许研宄器官在某些刺激下如何工作并作用，并且测试化学化 合物或组合物对于特定器官或其群组的作用并且研宄此类化合物或组合物的药代动力学 行为。具体地说，关于化学化合物的安全性测试，需要替代物来替换动物实验并且产生更容 易用于有效且可靠地预测人的安全性的数据。这种体外3D培养系统的质量将取决于其尽 可能接近地反映对应器官或类器官的生理功能和环境的能力。如果这些器官并不被视为是 分开的独立对象，但是如果尽可能接近地模拟在一个有机体中不同器官之间相互作用的复 杂性，则可以实现此目标。为了能够产生有意义的数据，需要培养系统长时间保持稳定。然 而，目前已知的大部分已知3D培养系统仅反映一种细胞类型或仅模拟一种类型的器官或 类器官。仅在最近描述了考虑到多器官并且允许动态培养这些多器官的3D培养系统。
[0002] 在W02009/146911 A2中，提供了一种器官芯片（organ-on-a-chip)装置。此器官 芯片装置被设计为独立的且传感器控制的。该装置允许以小型芯片格式建立或维持器官或 类器官以及干细胞生态位。该器官芯片装置可以包括许多器官生长区段，这些器官生长区 段包括一个器官或类器官、一个培养基原料储罐以及一个培养基废物储罐，它们彼此功能 性地连接以使得这些器官生长区段的器官或类器官可以用来自培养基原料储罐的培养基 进料并且可以通过培养基废物储罐处置降解产物和废物。尽管此模型允许在一个芯片上同 时培养多于一个器官，但是此装置不允许该芯片上的不同器官之间相互作用和串扰。此外， 此装置并不反映在长时间段内实现培养系统的体内平衡所需要的全部功能。
[0003] 在W0 2012/016711 A1中提出一种3D细胞培养模型，该模型包括一个或多个器官 生长区段、配置用于用营养物供应器官生长区段中培养的器官或类器官的一个独立循环系 统、以及收集来自器官生长区段的间质液和降解产物的一个毛细管外流体或废物收集器。 此系统允许同时培养多于一个器官并且模拟供应并互连不同器官的一种血管系统。因此， 此系统允许该系统的器官或类器官之间的相互作用和串扰。然而，此装置不能反映在长时 间段内实现培养系统的体内平衡所需要的全部功能。
[0004] 发明概述
[0005] 本发明涉及一种模拟器官和/或有机体体内平衡所需要的有机体基本功能的多 器官芯片装置。本发明的多器官装置被设计成反映模拟一种高等有机体的血液系统的一种 独立循环系统，该系统供应许多不同器官等效物。器官等效物被选择并安排来使得食物供 应、废物去除和氧气供应这些基本功能得以表现并完全起作用以便在长时间段内维持器官 等效物的体内平衡。
[0006] 提供一种多器官芯片装置，该装置包括：
[0007] - -个基底层；
[0008] -安排在该基底层上的一个器官层；
[0009] -安排在该器官层上的一个窦层（antra layer);以及
[0010] --个致动器层；
[0011] 其中
[0012] -该基底层被配置用于为其他层提供一个固体支撑；
[0013] -该器官层被配置成包括：
[0014] 许多单独的器官等效物，每个器官等效物包括一个或多个器官生长区段，每个器 官生长区段被配置成包括用于容纳一个器官的至少一个类器官的一个类器官空腔并且包 括用于该器官生长区段的该类器官空腔与一个独立循环系统之间的流体连通的一个微型 入口和一个微型出口，其中该器官层包括被配置用于分别代表器官肺、小肠、脾、胰腺、肝、 肾以及骨髓的至少一个器官等效物，以及
[0015] 一个独立循环系统，该系统被配置成通过该器官生长区段的微型入口和微型出口 与器官层的器官生长区段处于直接流体连通；
[0016] _该窦层被配置成包括许多空腔和管，这些空腔和管被安排成与选择的器官等效 物或器官生长区段处于流体连通以便允许空腔与器官生长区段之间的流体交换；并且
[0017] -该致动器层被配置成包括许多致动器，这些致动器被安排并配置用于调节施加 于一个选择的器官等效物、该独立循环系统和/或其部分的一个压力。
[0018] 本发明的其他详情和优选实施例在以下说明书和权利要求书中定义。
[0019] 发明详细说明
[0020] 在下文中更详细地描述本发明。除非另有指定，否则在此使用的所有技术和科学 术语具有与本技术领域技术人员通常所理解的相同的意义。如果一个第一层或物体指定位 于一个第二层或物体之上，则该第一层或物体可以直接位于该第二层或物体之上或者在该 第一层或物体与该第二层或物体之间可以存在另一个层或物体。
[0021] 本发明的多器官芯片装置由具有不同功能的多个层组成。该多器官芯片包括一个 基底层、一个器官层、任选一个器官固定器层、一个窦层以及一个致动器层。
[0022] 该基底层被配置用于为其他层提供一个固体支撑，以使得该多器官芯片装置可以 被容易地处理并操控。优选地，所述基底层是由一种透明材料制成。这具有以下优点：该器 官层是从底侧光学可接近的，并且因此允许在培养过程中通过显微镜，例如通过2光子显 微镜观察器官生长区段中的类器官。由于该基底层是由透明材料制成，所以该器官层是从 底部可接近的并且允许用于局部间质pH测量的荧光比率成像、间隙p0 2的磷光淬灭显微镜 检查以及检测生理应激的红外光谱法。
[0023] 用于基底层的优选材料包括玻璃和光学透明合成聚合物，例如聚苯乙烯（PS)、聚 碳酸酯（PC)、聚硅氧烷和/或聚二甲硅氧烷（PDMS)。
[0024] 为了监控该装置的状态并且允许控制培养类器官，基底层可以包括一个或多个传 感器，这一个或多个传感器被配置并安排用于测量从器官等效物、器官生长区段和/或独 立循环系统中的一种或多种发射的信号和/或将信号传输至器官等效物、器官生长区段和 /或独立循环系统中的一种或多种。使用表现出高灵敏度的传感器以便允许甚至在小样品 体积上进行准确测量。优选地，该基底层包括用于人有机体体内平衡的主要参数的传感器， 这些参数如类器官或细胞活力、温度、pH、体液平衡、压力、流量、氧压或氧消耗、营养消耗、 流体吸附、肠液分泌、白蛋白、胆汁合成、尿素分泌、离子平衡、重量摩尔渗透压浓度以及电 耦合。可以使用的传感器包括但不限于：pH传感器、p0 2传感器、分析物捕获传感器、电导率 传感器、等离子体共振传感器、温度传感器、〇)2传感器、NO传感器、趋化性传感器、细胞因子 传感器、离子传感器、压力传感器、电势传感器、电流传感器、流通式传感器、填充式传感器、 阻抗传感器、电磁场传感器、表面声波传感器、以及代谢传感器。优选地，基底层包括至少以 下一组传感器：
[0025] -配置并且定位用于测量器官层的独立循环系统的流体中的口02的2个p02传感 器，优选地一个P〇 2传感器位于小动脉运输通道下在小动脉运输通道的肺等效物源点附近 并且一个？02传感器位于小静脉运输通道下在小静脉运输通道的肺等效物源点附近；
[0026] -鉴定独立循环系统中的泄漏的4个经上皮/经内皮电阻（TEER)传感器（如果两 个TEER传感器之间的电阻是0,则可能有泄漏），优选两个TEER传感器位于独立循环系统 中，例如一个TEER传感器位于小动脉运输通道的肺等效物源点附近并且一个TEER传感器 位于小动脉运输通道的最远离肺等效物源点的末端处，两个TEER传感器被配置并且定位 于肝等效物，任选地可以存在两个另外的TEER传感器，它们被配置并且定位在皮肤或肠等 效物中，所有这些传感器一起监控细胞屏障如器官与血流之间的上皮或内皮屏障的功能；
[0027] -与生物神经元神经节耦合的电传感器，这些传感器被配置并且定位成与器官等 效物中的此类神经节接触。
[0028] 本发明的多器官芯片装置包括位于基底层之上的一个器官层。该器官层被配置成 包括许多单独的器官等效物