[发明专利]用于在仿生环境中培养细胞的装置和方法

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2011年6月15日提交的临时申请美国申请61/497376的优先权，在此将其全文引入作为参考。

发明领域

一般来说，本发明涉及用于在仿生环境中培养细胞的装置和用于制造和使用所述装置的方法。

发明背景

在受控制的体外条件下生长的肾细胞在肾功能性研究、医疗装置制备和药物测试中具有广泛的潜在应用。肾细胞培养允许生物学家研究肾相关的细胞的功能并观察细胞对各种条件的响应。高度受控制的肾环境可以用于执行肾的一些功能以帮助肾病患者，并且可以被组织工程使用以生成移植到肾病患者的特异性肾组织。此外，肾细胞可以在用于肾疗法和用于测试药物的肾毒性的药物开发中使用。受控制的体外环境也可以用于其它类型的细胞，如用于刺激干细胞的期望的细胞功能。

这些应用中的每一种得益于引起体外细胞在体内准确复制细胞的条件。尽管存在用于培养肾细胞的装置和方法，但传统的体外肾细胞环境是静态的，未能解释肾单位中经历的剪切应力。此外，以前的肾细胞培养的体外环境没有提供仿生刺激（cue），如由细胞外基质（ECM）提供的那些，因此在以前的环境中生长的细胞不具有它们在体内所具有的表型和形态，例如细胞形状或排列。肾单位中肾细胞的适当排列，尤其是细胞之间的细胞间连接的形成对于肾细胞执行其过滤和吸收功能是必要的。因此，在先前的装置中生长的肾细胞未能模拟肾单位的条件。

发明概述

因此，需要可以用于生长更好地复制肾单位的体内条件的肾细胞培养物的仿生装置。特别地，控制流动通道（flow channel）中细胞的几何形状和排列的装置可以用于生成比先前的装置更加接近地模拟体内条件的体外环境。微制造和微成型技术可以用于制备人工细胞基底，所述人工细胞基底具有模拟细胞外基质（ECM）对肾细胞具有的作用的微-、亚微-和纳米-拓扑图案（topographical pattern）。拓扑表面的设计允许紧密控制在基底上面生长的细胞。这种表面图案（surface patterning）连同附加的流动通道参数如通道高度、通道横截面积和流速一起可以用于生成紧密模拟特异性细胞类型的体内环境的高度受控制的体外条件。

因此，本文公开了用于仿生流动装置的装置和方法。仿生流动装置包括微流体流动通道和与流动通道流体连接的入口，所述入口用于允许流体流入流动通道。流动通道具有至少一个表面，所述表面具有在其中形成的拓扑图（topography）。选择流动通道的至少一个表面的拓扑图以使置于表面以上的细胞层中的细胞实现排列、行为或形态。细胞排列、行为或形态至少部分地通过至少一个表面的拓扑图来确定。

在一些实施方案中，选择表面的拓扑图以促进细胞层中的细胞与至少一个表面的粘着增加。表面的拓扑图可以包括宽度为至少约5μm或更小的嵴。流动通道的至少一个表面可以具有至少两种不同的拓扑图。表面拓扑图可以引起细胞层的排列、行为或形态复制肾脏中细胞的排列、行为或形态。

在一些实施方案中，所述装置还可以包括用于使流体通过入口流过流动通道的流体源。所述流体诱导了对细胞层的剪切应力。对细胞层的剪切应力可以产生模拟细胞类型在体内经历的剪切应力的剪切应力的水平。在一些其它实施方案中，对细胞层的剪切应力可以为小于0.02达因/cm²。可以使通道的形状为使得流体流过流动通道产生沿着流动通道长度的多个剪切应力值。在使流体流过流动通道之后，可以拆卸流动通道用于检查细胞层。

在一些实施方案中，将亲细胞物质置于基底的部分上，用于在该部分中生长细胞层，所述基底的部分形成流动通道的表面。在一些实施方案中，将疏细胞（cytophobic）物质置于基底表面的部分上，用于阻止细胞层在基底的部分中的生长；所述基底的该部分可以形成或可以不形成流动通道的表面的部分。

在一些实施方案中，所述装置包括具有至少一个表面的至少第二流动通道，所述表面具有在其中形成的拓扑图。

根据另一个方面，本发明涉及用于模拟器官性能的方法。所述方法包括提供具有表面的流动装置和具有排列、行为或形态的细胞层的步骤，所述表面具有拓扑图。所述方法还包括选择导致对细胞层的多个水平的剪切应力的流速，和引导流体以选择的流速流过（flow through）流动通道的步骤，所述多个水平的剪切应力引起细胞模拟它们在体内表现的形态、行为或排列。所述流动装置可以类似于以上描述的流动装置。