[发明专利]包括类器官腔室的设备及其用于培养、维持、监测或测试类器官的用途

说明书

本发明涉及包括类器官腔室的设备及其用于培养、维持、监测或测试类器官的用途。具体地，提供了用于在类器官腔室中生长、维持、刺激、监测和测试源自或代表中空器官的类器官和组织的多层生物反应器。还提供了这些生物反应器在疾病过程建模中用于监测疾病进展和/或用于评定生物效应(例如治疗功效和/或毒性，例如，器官毒性)的用途。还公开了包括类器官腔室的生物反应器，所述生物反应器可用作用于测量类器官腔室的体积、压力、收缩性、泵功能或电生理学的系统以及用于控制类器官腔室中的类器官或组织所经受的压力的系统。

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年6月30日提交的美国临时申请63/046,435的权益，该美国临时申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

所公开的主题涉及用于培养、维持、监测或测试类器官和组织的设备领域。

背景技术

准确检测毒性和功效，特别是对心脏的毒性和功效的能力仍然是新药开发中的相当大的挑战。开发有效疗法需要人类心脏病模型，而现有模型是不完善的，正如在模型系统中显示出前景的化合物在临床试验中未能表现出功效的频率所证明的。此外，心脏毒性已导致候选化合物以及上市后药物的大量损耗，从而导致了药物开发的过高成本[1,2]。由于与传统的实验动物模型相比，人类心脏生理学存在固有的根本差异，所以研究人员已经致力于开发使用来自人类多能干细胞(human pluripotent stem cell)的心肌细胞的体外模型，所述体外模型能够更好地预测人类对感兴趣化合物的特异性反应[3]。

虽然多年来已经开发了许多此类体外人类干细胞模型，但是大多数都集中在最低限度地概括心脏功能的简单的设计。所述模型具有有限的输出，所述输出可能不足以研究对感兴趣化合物的反应。例如，单层心肌细胞可用于研究心脏电生理学，但在研究需要收缩力的量度的肌力药的能力方面受限。简单3D模型，例如心脏组织条，可用于研究发育力的变化，但缺乏更临床相关的输出，例如压力-体积关系、射血分数和搏出功。生理相关性的缺乏也限制了模型概括功效测试所需的许多疾病表型的能力，特别是因为心脏疾病往往不可避免地与心脏上的血液动力学负荷条件联系在一起。因此，需要生物学上更复杂的心脏模拟人类体外模型，所述模型可以在药物开发和疾病建模方面提供额外的见解[4]。

一种此类模型是心脏类器官腔室(cardiac organoid chamber,COC)，所述心脏类器官腔室由具有中空中心的3D形状心脏组织组成。通过进入COC的内部体积，所述模型可以产生用于研究心脏生理学和病理生理学的临床相关输出。然而，COC的制造和培养是复杂且微妙的过程，并且使用COC执行实验呈现出重大的技术挑战。此外，当前的COC设计具有单一入口/出口，并且因此无法独立控制入口条件(前负荷)和出口条件(后负荷)，这可能对研究各种形式的心衰是至关重要的。本文描述了一种生物反应器系统设计，所述生物反应器系统设计改善了类器官腔室(organoid chamber,OC)(包括心脏类器官腔室(COC))的制造、培养和测试。

发明内容

本公开提供了用于在促进类器官和组织，特别是那些来源于中空器官的类器官和组织的形成的环境中培养细胞的通用设备，其更接近地模拟在体内发现的天然存在的器官和组织。因此，所述设备可用于产生和维持类器官和组织，以及提供用于监测活体材料的发育和/或行为和用于测试该材料(例如通过观察添加的化合物的效应或生物物理刺激的效应，如，电、机械、pH、容量渗透摩尔浓度、温度、激素等)的包含环境(containedenvironment)。例如，电刺激可涉及递送至类器官和/或组织的起搏脉冲。模块化设计在将制造成本保持最低的同时增加了设备的多功能性。

用于制造和测试类器官腔室(OC)的生物反应器包括引导流体流进入和离开OC的顶部区段、保持OC的中间区段和用于保持包围和滋养OC的培养基的底部区段。附加部件可包括以下中的任一者：用于对OC进行电刺激的系统、用于测量OC的压力、体积和/或电生理学变化的系统，以及用于控制施加在OC上的前负荷和后负荷的系统。示例性的OC是心脏类器官腔室(COC)。