藥物發(fā)現(xiàn)與研發(fā)是一個(gè)耗時(shí)、復(fù)雜且成本高昂的過程，涉及藥物識(shí)別、臨床前驗(yàn)證和臨床試驗(yàn)等環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)方法通常利用二維細(xì)胞模型和動(dòng)物模型進(jìn)行藥物測(cè)試。盡管二維細(xì)胞模型提供了一種簡(jiǎn)單、穩(wěn)定且成本效益高的方法，但它們存在明顯的局限性。與二維細(xì)胞模型相比，類器官能更接近地模擬體內(nèi)環(huán)境，用于研究疾病發(fā)生、穩(wěn)態(tài)和發(fā)病機(jī)制。它們?cè)诒Ａ艏?xì)胞生物學(xué)功能的同時(shí)，解決了傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)的局限性。然而，類器官迫切需要實(shí)現(xiàn)藥物篩選的全流程自動(dòng)化，以提高效率、減少消耗并最大限度地降低實(shí)驗(yàn)變異性。液滴微流控技術(shù)能夠以高通量生成并操控大量高度均一、納升至皮升級(jí)的液滴，可處理極少量的樣品體積，且基質(zhì)消耗極低。因此，液滴微流控平臺(tái)已越來越多地應(yīng)用于類器官的高通量生成或包封。然而，盡管基于液滴微流控的類器官制備技術(shù)取得了進(jìn)展，但仍缺乏整合在線質(zhì)量控制與標(biāo)準(zhǔn)化類器官藥物篩選的自動(dòng)化液滴處理平臺(tái)。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，上海交通大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套具有高度自動(dòng)化的液滴微流控平臺(tái)（VitroOrganoSphere，VOS），用于類器官包封與藥物篩選。VOS系統(tǒng)整合了液滴生成、光電傳感、基于熒光的含量評(píng)估、分選及自動(dòng)分液功能，構(gòu)建了從類器官包封到藥物反應(yīng)分析的閉環(huán)工作流，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)質(zhì)量控制。VOS系統(tǒng)為自動(dòng)化類器官藥物篩選構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化流程，為其在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用提供了支撐。相關(guān)研究成果已經(jīng)以“VitroOrganoSphere (VOS): an automated droplet-engineered organoid sorting platform”為題發(fā)表于近期的Lab on a Chip期刊。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于十字形通道的PDMS微流控芯片，通過將分散相通道設(shè)計(jì)得小于連續(xù)相通道，降低三維培養(yǎng)基質(zhì)Matrigel與通道壁的接觸面積，從而減少其在通道內(nèi)的黏附，保證液滴生成的穩(wěn)定性。該微流控芯片采用SolidWorks進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，并利用高精度3D打印制備模具，通過PDMS軟光刻復(fù)制后與玻璃基底鍵合成型。為進(jìn)一步抑制Matrigel潤(rùn)濕和非特異性吸附，研究人員使用Fluo-ST3對(duì)微通道進(jìn)行疏水改性，使PDMS表面的靜態(tài)水接觸角由108.8°提高至126.5°，有效增強(qiáng)了通道疏水性，降低了液滴生成過程中因材料黏附導(dǎo)致的流阻變化、液滴不穩(wěn)定及通道堵塞風(fēng)險(xiǎn)。最后，芯片經(jīng)紫外滅菌后用于實(shí)驗(yàn)，為VOS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)、高重復(fù)性的液滴封裝和類器官分選奠定了基礎(chǔ)。VOS系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作流程與傳統(tǒng)開放式操作不同，VOS系統(tǒng)采用液滴作為獨(dú)立微反應(yīng)器，將單個(gè)類器官包裹在液滴內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)輸和檢測(cè)。液滴不僅能夠有效隔離不同樣本，避免交叉污染，同時(shí)還能保持類器官所處微環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，減少機(jī)械剪切損傷，提高整個(gè)篩選過程中的生物活性。圖2 VOS系統(tǒng)及其組件，包括液滴生成模塊、液滴檢測(cè)模塊、液滴分選模塊和液滴分配模塊；VOS系統(tǒng)的自動(dòng)化工作流程VOS系統(tǒng)運(yùn)行過程中，培養(yǎng)獲得的類器官首先經(jīng)過液滴封裝模塊，被均勻包裹形成尺寸一致的微液滴。隨后，這些液滴在微流控芯片內(nèi)依次流經(jīng)檢測(cè)區(qū)域，通過高分辨率光學(xué)成像系統(tǒng)采集每一個(gè)類器官的圖像信息。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)分析類器官的尺寸、形態(tài)以及熒光信號(hào)等關(guān)鍵指標(biāo)，并依據(jù)預(yù)設(shè)篩選標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)判斷是否符合實(shí)驗(yàn)要求。完成識(shí)別后，系統(tǒng)進(jìn)一步利用高速微流控操控技術(shù)，將目標(biāo)液滴與非目標(biāo)液滴自動(dòng)分離，并最終將符合要求的類器官準(zhǔn)確分配到96孔培養(yǎng)板對(duì)應(yīng)孔位，實(shí)現(xiàn)后續(xù)培養(yǎng)、擴(kuò)增或藥物處理。整個(gè)流程無需人工干預(yù)，大幅提升了實(shí)驗(yàn)效率，也顯著降低了人為誤差。相比傳統(tǒng)人工方式，VOS系統(tǒng)最大的創(chuàng)新在于實(shí)現(xiàn)了多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)模塊的一體化集成。一方面，液滴微流控保證了樣本運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性和一致性；另一方面，自動(dòng)光學(xué)識(shí)別結(jié)合軟件控制，使篩選過程更加客觀、可重復(fù)。整個(gè)系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，還能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求靈活調(diào)整篩選條件，兼顧高通量處理能力與高篩選精度。圖4 （A）VOS系統(tǒng)液滴檢測(cè)模塊的組成及布局實(shí)物圖；（B）基于光電傳感器的液滴檢測(cè)原理示意圖；（C）不同尺寸液滴通過檢測(cè)區(qū)域時(shí)光電傳感器的輸出信號(hào)示意圖；（D）液滴檢測(cè)過程中獲得的電信號(hào)；（E）熒光光譜檢測(cè)單元的工作原理示意圖；（F）包封類器官液滴的熒光強(qiáng)度分布；（G）包封細(xì)胞液滴的熒光強(qiáng)度分布。驗(yàn)證VOS系統(tǒng)在類器官藥物篩選中的實(shí)際應(yīng)用能力研究團(tuán)隊(duì)以結(jié)直腸癌類器官為模型，構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化的自動(dòng)化藥物篩選流程。首先，利用VOS系統(tǒng)將包封于Matrigel液滴中的類器官按照尺寸、形態(tài)和熒光信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)篩選，僅保留符合預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)類器官，并將其精準(zhǔn)分配至96孔培養(yǎng)板中繼續(xù)培養(yǎng)。與傳統(tǒng)人工挑選相比，該平臺(tái)能夠顯著降低類器官初始狀態(tài)的異質(zhì)性，保證各實(shí)驗(yàn)孔中的類器官具有較高的一致性，為后續(xù)藥物評(píng)價(jià)建立統(tǒng)一、可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。圖5 基于VOS患者來源類器官平臺(tái)的藥物敏感性篩選與驗(yàn)證在完成標(biāo)準(zhǔn)化分選后，研究人員進(jìn)一步采用抗腫瘤藥物對(duì)篩選后的類器官進(jìn)行處理，并結(jié)合活/死細(xì)胞熒光染色、顯微成像及定量分析評(píng)估藥物療效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過VOS篩選的類器官在生長(zhǎng)狀態(tài)和尺寸分布方面更加均一，能夠有效減少樣本差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，使不同藥物濃度產(chǎn)生的抑制效應(yīng)更加清晰，顯著提高了藥物篩選結(jié)果的重復(fù)性和統(tǒng)計(jì)學(xué)可靠性。總結(jié)而言，VOS系統(tǒng)為基于類器官的高通量藥物篩選提供了標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展的解決方案，為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供了有力支撐。https://doi.org/10.1039/d6lc00309e《微流控技術(shù)及市場(chǎng)-2024版》
《基于微流控的冷卻散熱技術(shù)專利態(tài)勢(shì)分析-2026版》
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