[发明专利]一种三维流动培养装置、系统及分析方法

说明书

本发明提供一种三维流动培养装置、系统及分析方法，属于生物医药技术领域。通过结合细胞培养孔板和微流控技术，实现自动化和动态地向孔板内运输营养物质、生化因子和药物溶液，构建孔板内组织和类器官的三维流动培养微环境；通过流体泵系统编程控制实现多个孔板内培养环境的精准调控，有效提高组织和类器官的培养通量和药物检测通量；该装置和系统具有良好的可拓展性和兼容性，能实现显微镜下的培养和实时观测，并利用算法和软件同步分析组织、类器官的生长情况；装置加工采用3D打印和翻模法相结合，加工方法简单且成本低廉。本发明所提出的装置、系统及药物评估方法有望被广泛运用到新药物研发、临床药物筛选以及基础生物医学研究当中。

技术领域

本发明属于生物医药技术领域，是结合细胞培养孔板和微流控技术，构建三维流动微环境，实现组织、类器官和线虫等生物体的高通量和长期培养，以及自动化和动态的药物检测。

背景技术

恶性肿瘤的药物化疗治疗过程复杂，通常需要多种抗癌药物进行组合后在不同时间点顺序使用。为了提高化疗效果，亟需一种能够针对肿瘤病人个体实现精准预测候选药物种类、组合方式、用药剂量和时间的有效性和肿瘤耐药性的方法。

最近研究表明，将患者活检或手术提取得到的肿瘤细胞或组织，在体外三维微环境中培养形成肿瘤组织或类器官，能高度模拟患者原发肿瘤特征和异质性，有望作为新型体外模型用于进行精准药物检测与筛选。

使用肿瘤组织和类器官进行药物测试需要实现高通量和低成本培养、以及精准和动态给药两个主要内容。目前，国内外常用的肿瘤类器官培养方法包括Transwell法、三维基质胶法和悬浮搅动培养法。最近一些生物医药公司（如STEMCELL Technology和Corning等）改进了多孔板结构和材料，推出了适合组织和类器官培养的孔板产品。但这些方法存在的一个主要缺陷是无法模拟体内肿瘤组织所处的动态流动微环境，无法为组织和类器官提供持续的营养物质和氧气交换，以及清除代谢废物，因而无法实现长期的培养和自动化的药物递送。近些年兴起的微流控技术为构建精确可控的、动态的肿瘤类器官培养微环境提供了可能性。但由于微流控装置中流道和空腔尺寸限制了肿瘤类器官的生长，因此无法实现长期培养。同时，微流控装置的加工和实验操作复杂，难以进行规模化的应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明拟结合细胞培养孔板和微流控技术构建高通量的三维流动体外培养装置。该培养装置利用微流道硅胶盖向孔板中输送溶液，利用多通道直流泵控制液体流动，实现自动化和精准递送生化因子和营养物质，并进行动态化的免疫荧光染色和药物检测；通过系统中的显微镜对培养物质进行实时观测和采集图像；最后通过计算机进行图像处理，分析和研究所培养物质的状态和药物的作用效果。

本发明的技术方案：

一种三维流动培养装置，所述的三维流动培养装置3包括流道层3-1、孔层3-2和培养孔板3-3；流道层3-1包括依次连接的液体入口3-1-1、液体分流通道3-1-2、灌注流道模块3-1-3、液体流出通道3-1-5和液体出口3-1-6；灌注流道模块3-1-3上包括n×m个灌注流道单元3-1-4；孔层3-2上包括n+1×m个灌注孔单元3-2-1；培养孔板3-3上包括n+1×m个孔单元。

进一步的，溶液通过液体入口3-1-1进入流道层3-1，首先经过分流通道3-1-2，然后通过第i行第j列1≤i≤n，1≤j≤m个灌注流道单元3-1-4进入孔层3-2，经灌注孔单元3-2-1上的大孔进入培养孔板3-3的一个孔单元中，最后由灌注单元3-2-1上的小孔流出孔层3-2，回到流道层3-1中第i行第j+1列的灌注流道单元3-1-4，最后经过液体流出通道3-1-5，从液体出口3-1-6流出。灌注单元3-2-1上的小孔半径为，灌注单元3-2-1上的大孔半径为。