[發明專利]一種基于微流控芯片的三維類腦發育模型的構建方法

有效

• 申請號: 201710448568.3
• 申請日: 2017-06-14
• 公開（公告）號: CN109082406B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 秦建華;王亞清;王麗
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C12N5/073
• 分類號: C12N5/073;C12M3/00
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 鄭虹

本發明一種基于微流控芯片的三維類腦發育模型的構建方法，主要步驟為：微流控芯片的制備；擬胚體EBs的形成；類腦在微流控芯片中的分化和發育。本發明構建的一種新型的工程化的三維類腦發育模型，是一種基于微流控芯片技術的可灌流的微反應器。本發明是將體內腦發育的基本原理和工程化技術結合，更好地模擬了腦早期發育的微環境。本發明具有成本低、操作簡單、試劑用量少、可原位追蹤和實時監測等優點，可替代動物模型和傳統的二維培養方式，在一定程度上模擬腦早期的發育，為體外模擬腦發育、神經發育異常的病理學研究、藥物篩選和毒性檢測等方面提供了一個強有力的新平臺。

技術領域

本發明涉及微流控芯片技術和組織工程的領域，具體涉及一種基于微流控芯片的類腦發育模型的構建方法。

背景技術

近幾年來各種干細胞來源的類腦發育得到了有效發展，包括神經干細胞、腸干細胞、胚胎干細胞以及誘導多能干細胞iPSCs。類腦的形成來源于擬胚體EBs，是由干細胞特異性分化并自組裝成具有三維結構的多細胞聚集體，在體外進一步發育成具有一定結構和功能特異性的組織，一定程度上模擬了相應腦的發育過程。研究表明iPSCs能定向分化成特異的細胞類型，并具有強大的自組裝能力，能形成多種腦類型，目前已有的iPSCs來源的類腦包括腸，腎，視網膜和大腦等。iPSCs來源的類腦技術在模擬人體腦發生，藥物篩選和細胞替代療法以及疾病模型的建立和研究等方面提供了一個獨特的平臺，彌補了2D細胞培養分化以及動物模型存在種間差異的不足，具有廣泛的應用前景。

大腦類腦(類腦)是指發育成的具有不同的獨立腦區并相互連接的類腦，主要由大腦皮層構成，產生有特定空間分布結構的前體細胞和多種類型的皮層神經元。最近的研究表明，類腦技術主要是通過干細胞的定向誘導分化，以擬胚體形式自組裝并利用基質包埋懸浮培養的方式形成有不同腦區和皮層的類腦。類腦在很大程度上概括了大腦早期發育的特征，可用來模擬大腦發育的過程，研究哺乳動物神經發育的基本機制。盡管這類技術有潛在的優勢和應用，仍然面臨很多局限和不足。首先，由于3D細胞團的結構特點，使得內部細胞由于缺少氧氣和營養，出現中心細胞壞死現象，極大限制了類腦發育的程度，包括體積大小、功能成熟度等，而在生理情況下組織和腦中分布著血管網絡用于提供充分的氧氣和營養物質，是傳統方法很難實現的。其次，傳統方法中如使用旋轉反應器培養類腦需要消耗大量的培養基和培養空間，成本較高并且可操作性不強，不利于施加不同的條件刺激。最后，傳統方法主要是利用細胞自組裝和化學因子誘導形成類腦，沒有時空上的因素控制及物理因素的參與。因此，結合現有的工程化手段尤其是微流控技術，有望優化類腦技術。

微流控芯片作為細胞培養載體，有幾大優勢：首先，借助微流控芯片技術可根據實際應用設計不同的通道尺寸，提供一定的空間限制即物理因素控制，并維持細胞的三維生長狀態。其次，流體控制有助于促進營養物質和氧氣的交換，減少細胞凋亡或細胞團中心壞死現象，為細胞培養提供良好的生存環境。最后，PDMS作為微流控芯片的制作材料，具有良好的透光和透氣性，可進行細胞的實時監測和觀察并有利于細胞對氧氣的充分利用，維持細胞的生長狀態。但是目前將微流控技術與類腦技術相結合，優化體外類腦的發育及操作尚屬空白。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于微流控芯片的三維類腦發育模型的構建方法，該方法高效地實現了類腦的生長、分化和發育，包括不同腦區和大腦皮層的分化形成。該微流控灌流系統通過三維細胞培養和流體控制等要素，模擬體內腦發育的微環境，不僅保證了發育過程中充分的營養物質和氧氣的交換，同時實現了類似早期腦發育過程中的腦組織結構和空間排布形成，并具有低成本、易操作、可原位示蹤和實時監測的特點，為模擬腦發育、腦病機制研究、藥物篩選和測試提供了一個新的平臺。

本發明提供了一種基于微流控芯片的三維類腦發育模型的構建方法，其步驟主要分為三部分：微流控芯片的制備、擬胚體EBs的形成和類腦在微流控芯片中的分化發育。

所述步驟(1)微流控芯片的制備，具體為：