Lab on a Chip | 结合微流控和高分辨率成像大规模筛选药物

原创 图灵基因 图灵基因 2021-12-16 09:42

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Georgia理工学院的研究人员报告说，他们开发了一种分析工具，旨在改进先进的细胞疗法的生物制造过程。

该团队表示，其动态采样平台在细胞被改造和生长以在生物反应器中进行处理时提供了对细胞的实时分析，克服了目前耗时、劳动密集和昂贵的过程。由首席研究员Andrei Fedorov博士领导的科学家们在英国皇家化学学会的《Lab on a Chip》杂志上发表了他们的研究报告（“High content drug screening of primary cardiomyocytes based on microfluidics and real-time ultra-large-scale high-resolution imaging”）。

“高含量筛选（HCS）在生物应用和药物开发中发挥着重要作用。现有技术无法同时满足高通量、样品和化学品消耗效率以及高分辨率大视角实时成像的多种需求。利用微流体和成像技术的进步，我们为快速生物过程（如心脏毒性）建立了大规模、高含量药物筛选解决方案的新范例。”研究人员写道。

“设计的微流控芯片可以同时检测10种药物，每种药物具有五种浓度。该成像系统具有30 Hz视频速率，适用于0.8μm分辨率的厘米视场。使用HCS系统，我们分析了12种小分子对心肌细胞Ca2+离子信号的影响。实验结果证明了该系统在揭示心肌细胞Ca2+成像时空模式方面无与伦比的能力，并验证了某些分子的心脏毒性。

“我们设想这种新的HCS范式和尖端平台为基于孔板的方法提供最先进的替代方案。”

“这些细胞疗法令人兴奋，因为它们确实非常出色。”George W. Woodruff机械工程学院教授、佐治亚理工大学Petit生物工程和生物科学研究所成员Fedorov说，“他们提供了一种彻底的治疗方法。你有一种疾病，现在你没有。生物制造过程需要控制产品的安全性和治疗效力。但有一个问题——那就是它非常昂贵。”

Fedorov和他的团队旨在深入了解细胞行为和过程控制所需的生化信息。他们开发的技术可能会降低这些革命性治疗的成本，让更多的患者可以使用。

经批准的细胞治疗产品的价格范围为每次治疗50万至200万美元，生产成本使价格上升。

研究人员说：“你从患者或捐赠者身上提取了一些细胞，然后对它们进行修饰，并生长出被认为足够的细胞，目前大约有10亿个。”

收获细胞后，它们会经历许多步骤，包括在生物反应器中进行改造，这通常需要大约14天。

“通常，这些治疗方法仅适用于濒临绝症的患者。”研究人员继续说道，“问题是，你真的不知道这些细胞是否保持了它们的治疗效力。你几乎受运气支配，因为缺乏在整个过程中完全监控细胞状态的能力。”

Fedorov指出，缺乏合适的过程分析工具是这些疗法进入大众市场的主要瓶颈，这导致了高昂的成本，并代表了生物制造过程中的巨大差距。

因此，他和他的同事开发了一种新工具来填补这一空白，它大约只有缩略图那么大。

这些先进的基于细胞的疗法的生物制造取决于细胞的可靠和可重复生长，这需要对细胞增殖的生物反应器内的化学液体进行警惕的监测和分析。

该研究的主要作者、Fedorov实验室的博士生Austin Culberson说：“传统的工作流程非常手工，需要大量的移液和离心，而且需要大量的细胞，这需要很长的时间。因此，我们想知道我们是否能开发出更快完成这项工作的技术。”

他们做到了。第一代动态采样平台专注于分析细胞分泌的生物分子。它是由前博士生Mason Chilmonczyk在Fedorov的实验室开发的，他现在是该实验室的博士后研究员。Chilmonczyk和Fedorov正在将该技术商业化，他们已经在其他期刊上撰写了有关用于细胞制造的过程分析工具的文章。

Chilmonczyk开发了一种微加工设备，用于处理培养基样本——维生素和细胞发育的生长因子肉汤。Culberson将这项研究向前推进了一步，创造了另一种小型设备，可以进行细胞内分析。现在，该团队相信它拥有探测细胞内部化学活性的工具，以及用细胞分泌的生物标记物分析周围营养丰富的肉汤。

研究人员说：“这些信息的结合为生物反应器中的细胞发生了什么提供了更广泛、更深入的见解。”

“这种信息组合为生物反应器中细胞发生的情况提供了更广泛、更深入的见解。”Culberson说。根据Fedorov的说法，“我们正在寻找生物标志物，称为代谢物的更小分子。他们应该告诉我们细胞如何运作的故事——这是一个好的细胞，它是否遵循正确的生长轨迹；它是否分化为适当类型的细胞，发展出针对疾病的能力？在这个过程结束时，它是否具有效力，并且可以施用于患者吗？”

Culberson的微型细胞处理装置从生物反应器中接收大约100个细胞。这些细胞通过像头发一样细的通道，然后被捕获，从肉汤中冲洗掉，然后被电脉冲溶解或打开。

研究人员说：“在裂解后，我们将这些生化物质喷入质谱仪进行分析。我们的目标是拥有一个完全自动化的平台，因此在您设置生物制造工作流程时，您将安装动态采样平台。然后，您将拥有全自动化的实时分析功能，以指导和跟踪细胞生长。”