[發明專利]一種牽張-電聯合刺激三維細胞培養裝置

無效

• 申請號: 201110392367.9
• 申請日: 2011-12-01
• 公開（公告）號: CN102433258A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 樊瑜波;李萍;劉美麗;李鈺;劉李珍;徐歡
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C12M3/00
• 分類號: C12M3/00;C12M1/42
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種牽張-電聯合刺激三維細胞培養裝置，屬于細胞工程和組織工程技術領域。

背景技術

組織工程一詞最早是在1987被提出，是研究開發用于修復、維護、促進人體各種組織或器官損傷后的功能和形態的生物替代物的一門新興學科。其基本原理和方法是將體外培養擴增的正常組織細胞吸附于一種具有優良細胞相容性并可被機體降解吸收的生物材料上形成復合物，然后將細胞-生物材料三維復合物植入人體組織、器官的病損部位，在作為細胞生長支架的生物材料逐漸被機體降解吸收的同時，細胞不斷增殖、分化，形成新的并且其形態、功能方面與相應組織、器官一致的組織，從而達到修復創傷和重建功能的目的。

在組織工程中，組織的體外功能化培養已成為組織工程的核心，也是形成組織工程產業的必要技術基礎。而提供與細胞體內生存條件相近似的體外生長環境，對于組織的三維培養和功能化至關重要，其中，力學、電學等物理影響因子在其中起著不可忽視的作用。

力學環境對器官、組織、細胞甚至亞細胞等各個層次的生命活動都有重要的影響。力學環境的調控在細胞、組織工程培養過程中起著關鍵性作用，對其施加一定的牽張力，可以保持和進一步發揮細胞、組織的功能。有關牽張力學因素的生物學效應和作用機制已在多種細胞和組織中得到研究，研究表明周期性機械牽張可促進成骨細胞的功能，使轉化生長因子-β、胰島素樣生長因子、成纖維細胞生長因子、骨橋素、I型膠原的mRNA水平上升，骨鈣素、膠原蛋白等分泌增加(Cillo?JE?Jr，et?al.，2000；Fong?KD，et?al.，2003)；可以提高骨骼肌細胞組織力學特性(Powell，et?al.，2002)；可以調控組織工程血管塑形(Seliktar?D，et?al.，2003)；可促進內皮細胞(Hayoz?D，et?al.，2007)、軟骨細胞(Waldman，S.D.et?al.，2003)、成纖維細胞(Altman?GH，et?al.，2002)的功能、分化、增殖及細胞外基質各種因子的表達等。在心肌細胞培養過程中加載周期性牽張能較好地促進心肌細胞的增殖和骨架構建，Akhyari等將人心肌細胞種植在凝膠上，形成三維心肌細胞片層，連續加載周期性牽張14天(20％，1.3HZ)，可顯著促進心肌細胞的骨架構建，細胞內RNA和蛋白質合成增多，肌原纖維的數量增多，單個心肌細胞肥大，收縮力增強(Akhyari，et?al.，2002)。Zimmermann等將新生大鼠心肌細胞與I型膠原混合，制備成三維環形心肌組織條帶，接受7天被動牽張(10％，2HZ)，較好地改善了心肌細胞分化、收縮的力度及電生理性能，可以觀察到一致排列的心肌細胞束、高度有序的肌小節、細胞橋粒、T管，以及一個圍繞心肌細胞的發育良好的基膜。縫隙連接蛋白Cx-43高度表達，細胞之間產生了有效的電學聯接，能看到三維心肌細胞培養物有節律地自行整體收縮(W.H.Zimmermann，et?al.，2002)。

除了復雜的力學環境，電學環境也是體內細胞、組織生長的重要微環境之一。在生理電場存在的情況下，細胞產生分裂、分化和遷移。沒有電場的細胞培養環境缺少了一種胚胎自然發育過程中所具有的內環境。通過模擬體內細胞、組織生長所處的電學微環境，可為體外細胞、組織的生長提供較為真實的環境，從而完成組織的功能化培養。如電刺激可以誘導人成骨細胞鈣離子濃度的增加，促進成骨細胞的增殖、生長因子的分泌以及細胞外基質的合成(Khatib?L，et?al.，2004；Supronwicz?PR，et?al.，2002)；使用導電聚吡咯作為培養基質材料對神經細胞PC-12等進行培養，實驗顯示加電刺激比不加電刺激神經節要增長近一倍。(Schmidt?CE，et?al.，1997；ZeZhang，et?al.，2007)；MilicaRadisic等將新生大鼠心室肌細胞種植入膠原支架，形成三維心肌細胞培養物，采用模仿天然心臟組織的電脈沖信號(方波，2ms，5V/em，1Hz)對細胞進行刺激8天，誘發了心肌細胞的有序生長、排列，提高了心肌細胞同步收縮的程度(是未加電脈沖心肌細胞收縮程度的7倍)，肌原纖維α-肌動蛋白，間隙連接蛋白43，α-肌球蛋白重鏈及β-肌球蛋白重鏈呈高水平表達，心肌細胞形態變為狹長且平行于電場方向排列，可見潤盤等超微結構，相鄰心肌細胞間建立縫隙連接，呈電機械偶聯(Milica?Radisic，et?al.，2004)。