[發明專利]用于在仿生環境中培養細胞的裝置和方法

在審

• 申請號: 201280037203.7
• 申請日: 2012-06-15
• 公開（公告）號: CN103764813A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 約瑟夫·L·查萊斯特;埃爾斯·弗羅利希;杰弗里·T·伯恩斯坦
• 申請（專利權）人: 查爾斯斯塔克布料實驗室公司
• 主分類號: C12M3/00
• 分類號: C12M3/00
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 郭廣迅

相關專利申請的交叉引用

本申請要求2011年6月15日提交的臨時申請美國申請61/497376的優先權，在此將其全文引入作為參考。

發明領域

一般來說，本發明涉及用于在仿生環境中培養細胞的裝置和用于制造和使用所述裝置的方法。

發明背景

在受控制的體外條件下生長的腎細胞在腎功能性研究、醫療裝置制備和藥物測試中具有廣泛的潛在應用。腎細胞培養允許生物學家研究腎相關的細胞的功能并觀察細胞對各種條件的響應。高度受控制的腎環境可以用于執行腎的一些功能以幫助腎病患者，并且可以被組織工程使用以生成移植到腎病患者的特異性腎組織。此外，腎細胞可以在用于腎療法和用于測試藥物的腎毒性的藥物開發中使用。受控制的體外環境也可以用于其它類型的細胞，如用于刺激干細胞的期望的細胞功能。

這些應用中的每一種得益于引起體外細胞在體內準確復制細胞的條件。盡管存在用于培養腎細胞的裝置和方法，但傳統的體外腎細胞環境是靜態的，未能解釋腎單位中經歷的剪切應力。此外，以前的腎細胞培養的體外環境沒有提供仿生刺激（cue），如由細胞外基質（ECM）提供的那些，因此在以前的環境中生長的細胞不具有它們在體內所具有的表型和形態，例如細胞形狀或排列。腎單位中腎細胞的適當排列，尤其是細胞之間的細胞間連接的形成對于腎細胞執行其過濾和吸收功能是必要的。因此，在先前的裝置中生長的腎細胞未能模擬腎單位的條件。

發明概述

因此，需要可以用于生長更好地復制腎單位的體內條件的腎細胞培養物的仿生裝置。特別地，控制流動通道（flow?channel）中細胞的幾何形狀和排列的裝置可以用于生成比先前的裝置更加接近地模擬體內條件的體外環境。微制造和微成型技術可以用于制備人工細胞基底，所述人工細胞基底具有模擬細胞外基質（ECM）對腎細胞具有的作用的微-、亞微-和納米-拓撲圖案（topographical?pattern）。拓撲表面的設計允許緊密控制在基底上面生長的細胞。這種表面圖案（surface?patterning）連同附加的流動通道參數如通道高度、通道橫截面積和流速一起可以用于生成緊密模擬特異性細胞類型的體內環境的高度受控制的體外條件。

因此，本文公開了用于仿生流動裝置的裝置和方法。仿生流動裝置包括微流體流動通道和與流動通道流體連接的入口，所述入口用于允許流體流入流動通道。流動通道具有至少一個表面，所述表面具有在其中形成的拓撲圖（topography）。選擇流動通道的至少一個表面的拓撲圖以使置于表面以上的細胞層中的細胞實現排列、行為或形態。細胞排列、行為或形態至少部分地通過至少一個表面的拓撲圖來確定。

在一些實施方案中，選擇表面的拓撲圖以促進細胞層中的細胞與至少一個表面的粘著增加。表面的拓撲圖可以包括寬度為至少約5μm或更小的嵴。流動通道的至少一個表面可以具有至少兩種不同的拓撲圖。表面拓撲圖可以引起細胞層的排列、行為或形態復制腎臟中細胞的排列、行為或形態。

在一些實施方案中，所述裝置還可以包括用于使流體通過入口流過流動通道的流體源。所述流體誘導了對細胞層的剪切應力。對細胞層的剪切應力可以產生模擬細胞類型在體內經歷的剪切應力的剪切應力的水平。在一些其它實施方案中，對細胞層的剪切應力可以為小于0.02達因/cm²。可以使通道的形狀為使得流體流過流動通道產生沿著流動通道長度的多個剪切應力值。在使流體流過流動通道之后，可以拆卸流動通道用于檢查細胞層。

在一些實施方案中，將親細胞物質置于基底的部分上，用于在該部分中生長細胞層，所述基底的部分形成流動通道的表面。在一些實施方案中，將疏細胞（cytophobic）物質置于基底表面的部分上，用于阻止細胞層在基底的部分中的生長；所述基底的該部分可以形成或可以不形成流動通道的表面的部分。

在一些實施方案中，所述裝置包括具有至少一個表面的至少第二流動通道，所述表面具有在其中形成的拓撲圖。

根據另一個方面，本發明涉及用于模擬器官性能的方法。所述方法包括提供具有表面的流動裝置和具有排列、行為或形態的細胞層的步驟，所述表面具有拓撲圖。所述方法還包括選擇導致對細胞層的多個水平的剪切應力的流速，和引導流體以選擇的流速流過（flow?through）流動通道的步驟，所述多個水平的剪切應力引起細胞模擬它們在體內表現的形態、行為或排列。所述流動裝置可以類似于以上描述的流動裝置。