[发明专利]在培养皿中增强器官发生的类器官培养工程

说明书

本公开的主题提供了培养类器官或细胞的技术。一种用于培养类器官的装置可以包括：被构造成接收溶液的进入孔；加载室，其中进入孔位于加载室中；以及多个培养室，其中培养室从加载室放射状伸出，使得经由进入孔被注入加载室中的溶液被分配到多个培养室中，其中该多个培养室对外部环境开放并且在该多个培养室的开口处包括突起边缘。

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年12月4日提交的美国专利申请No.63/121,684的权益，所述美国专利申请的内容在此通过引用整体并入。

关于联邦资助的研究的声明

这项发明是在美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)授予的HL127720和美国国家科学基金会(National Science Foundation)授予的1548571的政府支持下做出的。美国政府在本发明中有一定的权利。

技术领域和背景技术

类器官可以用于在体外模拟组织和器官发育的复杂过程。三维(3D)培养中的干细胞可以产生自组织的多细胞结构，称为类器官，其可以类似于它们所源自的器官的解剖和功能单元。由于类器官可以在体外细胞培养的便利下重演体内生理系统的复杂性，因此它们可以用于为生物医学和药学应用模拟各种成体器官的健康和/或疾病状态。

为了提供类器官培养的3D环境，某些技术需要将干细胞包埋在由溶解的基底膜提取物制备的细胞外基质(ECM)水凝胶(例如基质胶(Matrigel))的座滴中。当供给的培养基含有容许恰当的细胞生长并定向分化成器官特异性谱系的特定可溶性因子时，所述3D环境可以诱导分化性细胞分隔到不同的域中并经历命运特化(fate specification)，导致它们自发组织成器官样结构。尽管它具有实用性和多用性，然而，由于类器官的寿命有限，这些技术可能会受到限制。在典型的设定中，包埋在ECM水凝胶中的正在发育的类器官依靠被动扩散来供应养分和清除废物。这种传输方式在类器官发育的初始阶段通过水凝胶支架来有效支持类器官。然而，随着类器官生长和对新陈代谢的要求变得越来越高，养分和氧向3D支架内部区域中的扩散有限，致使类器官的生存力逐渐显著降低，导致坏死核心形成。这种退化过程发生的速度根据类器官的类型而异，但在大多数情况下，使用ECM水凝胶培养的10天之内，大量细胞死亡变得明显。某些培养技术可以通过每5-7天对类器官进行传代来避免细胞死亡。然而，每个周期如此短的持续时间可能中断类器官的长时间连续培养，而长时间连续培养是它们持续发育和成熟为类似体内的组织构造所必需的。

为了解决这个问题，研究人员使用生物反应器来改善类器官的3D培养中氧和养分的扩散传输。最近对脑类器官的工作表明，这种方式已被证明有助于建立长期培养以促进类器官的持续发育和成熟度提高。然而，在常规实验室环境中实施这项技术需要担负机械上复杂的资本设备并且要求专门的操作和维护知识。另一个缺点是类器官是在生物反应器中悬浮培养的，这使得在培养期间监测它们的生长发育具有挑战性。虽然已经提出类器官的血管化作为改善养分供应的替代策略，但具有受控的血管灌注的类器官模型的生成过程复杂得令人生畏，经常需要先进的体外系统和专门的技术，而这些是非工程师不易理解的。

因此，需要能够用于长时间不间断和连续培养类器官的改进的技术。

发明内容

本公开的主题提供了培养类器官和/或细胞的技术。培养类器官的示例性装置可以包括被构造成接收溶液的进入孔、加载室和多个培养室。在非限制性实施方式中，所述进入孔可以位于所述加载室的中央。在一些实施方式中，所述培养室可以从所述加载室放射状伸出，使得经由所述进入孔被注入所述加载室中的溶液可以均匀地分配到所述培养室中。在非限制性实施方式中，所述培养室可以对外部环境开放，并且在所述培养室的开口处包括突起边缘。

在某些实施方式中，所述装置可以包含聚二甲基硅氧烷。在非限制性实施方式中，所述装置可以是光学透明的。