細(xì)胞、組織、類器官代謝分析儀—IMOLA-IVD

     德國(guó)cellasys提供的灌流式、多參數(shù)、實(shí)時(shí)代謝監(jiān)測(cè)的細(xì)胞、組織、類器官代謝分析儀—IMOLA-IVD，是一種基于生物芯片的微生理參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)活細(xì)胞、組織、類器官的代謝和形態(tài)進(jìn)行無(wú)標(biāo)記實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，搭配自動(dòng)化灌流系統(tǒng)進(jìn)行換液或者加藥，可以實(shí)現(xiàn)幾天或幾周的連續(xù)測(cè)量，研究藥物對(duì)活細(xì)胞、組織、類器官的影響以及移除藥物后的恢復(fù)和再生效應(yīng)。 我們的細(xì)胞、組織、類器官代謝分析儀—IMOLA-IVD通過(guò)生物芯片技術(shù)，可以在體外直接研究活細(xì)胞或組織、器官在培養(yǎng)過(guò)程種的多個(gè)參數(shù)的變化，包括細(xì)胞外酸化（pH）、細(xì)胞呼吸（pO2、pCO2）和形態(tài)學(xué)（電阻）。整個(gè)測(cè)量過(guò)程無(wú)需標(biāo)記、多通道平行進(jìn)行、連續(xù)檢測(cè)、實(shí)時(shí)記錄。

     細(xì)胞代謝主要是指細(xì)胞從環(huán)境中攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，消化吸收后排放出降解物或雜質(zhì)。大多數(shù)碳水化合物，例如葡萄糖，都是細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。在有氧條件下，葡萄糖被細(xì)胞攝取后在胞漿內(nèi)轉(zhuǎn)變成丙酮酸，然后進(jìn)入三羧酸循環(huán)代謝，ZUI終變成二氧化碳并產(chǎn)生能量；在缺氧條件下，葡萄糖在細(xì)胞內(nèi)代謝為乳酸以提供能量?？傮w而言，細(xì)胞代謝增強(qiáng)時(shí)，葡萄糖的消耗增加，酸性的代謝產(chǎn)物也相應(yīng)增加，反之亦然。此外，外界環(huán)境因素對(duì)貼壁細(xì)胞的作用經(jīng)常影響到細(xì)胞的粘附和融合度，而細(xì)胞的粘附狀態(tài)是與細(xì)胞骨架的組織性和膜的完整性相關(guān)的，如果受到環(huán)境因素干擾，細(xì)胞則會(huì)改變其粘附方式，可能變圓或*脫離基底。因此，監(jiān)測(cè)這些參數(shù)就能很好的了解細(xì)胞、組織、類器官生長(zhǎng)過(guò)程中的細(xì)胞生理狀態(tài)和代謝行為。

     德國(guó)cellasys公司推出的細(xì)胞、組織、類器官代謝分析儀—IMOLA-IVD非常適合與于監(jiān)測(cè)細(xì)胞、組織、類器官的代謝過(guò)程的各種生理學(xué)指標(biāo)，包括產(chǎn)酸，產(chǎn)氧，貼壁電阻，溫度?？梢詥为?dú)控制每一個(gè)樣品的溶液,分別有6個(gè)獨(dú)立的灌流泵來(lái)控制每個(gè)通道的灌流系統(tǒng)，保證每個(gè)通道的獨(dú)立性，可以連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)6種細(xì)胞、組織、類器官的生理活動(dòng)和代謝情況。

   
     德國(guó)cellasys的細(xì)胞組織器官代謝分析儀—IMOLA-IVD，采用的是芯片技術(shù)，而不是通用的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)靈敏度更高，檢測(cè)時(shí)間更長(zhǎng)，而且這兩個(gè)產(chǎn)品都有密閉的灌流系統(tǒng)，可以適時(shí)更換溶液，適合長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)細(xì)胞、組織、類器官的生理行為變化，以及觀察外界條件（加藥等）處理后的細(xì)胞/組織/類器官的再生等效應(yīng)。

?    多個(gè)傳感器芯片并聯(lián)平行工作；

?    非侵入式、實(shí)時(shí)無(wú)標(biāo)記監(jiān)測(cè)；

?    pH值、O2消耗率、細(xì)胞外酸度、貼壁電阻四參數(shù)同時(shí)測(cè)量；

?    *的灌流系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)換液；

       德國(guó)cellasys的細(xì)胞組織器官代謝分析儀—IMOLA-IVDZUI大可配備6通道，6通道每個(gè)孔都有獨(dú)立灌流和換液的功能，非常適合做長(zhǎng)時(shí)間的胞、組織、類器官代謝的觀測(cè)、再生醫(yī)學(xué)，組織工程學(xué)、類器官藥理學(xué)評(píng)價(jià)、類器官藥物安全性評(píng)估以及干細(xì)胞研究等。

工作原理

     微生理測(cè)量法監(jiān)測(cè)活細(xì)胞、組織、類器官的代謝活動(dòng)。除了監(jiān)測(cè)細(xì)胞呼吸和細(xì)胞外酸化，細(xì)胞粘附和形態(tài)參數(shù)同樣提供了很多關(guān)于生命活動(dòng)的有價(jià)值的信息。我們的生物芯片集成了微型傳感器來(lái)評(píng)估這些參數(shù)，確保了高靈敏度和穩(wěn)定性，并且該方法是無(wú)需標(biāo)記，并實(shí)時(shí)連續(xù)提供多個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)。使用DALiA客戶端3.1應(yīng)用程序，可以對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行編程并記錄數(shù)據(jù)。

     IMOLA-IVD技術(shù)可以分析由自動(dòng)化灌流系統(tǒng)之中的生物芯片所獲取的代謝數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于用新鮮的細(xì)胞培養(yǎng)基或培養(yǎng)基的成分。

細(xì)胞類型:

     針對(duì)所有類型的培養(yǎng)物提供不同的合適的配件；

        對(duì)于特殊實(shí)驗(yàn)還可以通過(guò)對(duì)生物芯片的涂層來(lái)優(yōu)化培養(yǎng)效果；

     懸浮細(xì)胞、貼壁細(xì)胞、球體、Transwell細(xì)胞培養(yǎng)小室；

        細(xì)胞、組織、類器官；

應(yīng)用案例

1. 毒理動(dòng)力學(xué)（細(xì)胞/組織/類器官）

     監(jiān)測(cè)培養(yǎng)的活細(xì)胞/組織/類器官代謝分析的活力是闡明化學(xué)物質(zhì)的毒理動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的關(guān)鍵。汞的毒性作用是通過(guò)纖維母細(xì)胞胞外酸化率來(lái)檢測(cè)的，毒素被去除后，細(xì)胞恢復(fù)了。細(xì)胞類型：3T3成纖維細(xì)胞，貼壁細(xì)胞。

     10%十二烷基硫酸鈉溶液(7次稀釋)對(duì)成纖維細(xì)胞的毒性作用可以通過(guò)細(xì)胞阻抗(Z)來(lái)解釋。細(xì)胞類型：L929成纖維細(xì)胞，貼壁細(xì)胞。

     有了自動(dòng)灌流系統(tǒng)，在活體類似的情況下，可以映射到體外實(shí)驗(yàn)。細(xì)胞外酸化率用于評(píng)估1%十二烷基硫酸鈉溶液對(duì)HepG2肝球蛋白的毒性。細(xì)胞類型：Hep-G2肝癌球體細(xì)胞。

     表皮(RhE)是在保持臨界氣液界面的形成的，實(shí)時(shí)測(cè)量跨表皮細(xì)胞層電阻（TEER）。細(xì)胞類型：人類表皮細(xì)胞（RhE）， transwell細(xì)胞小室。

2. 藥物開發(fā)（細(xì)胞/組織/類器官）

     可以研究新藥對(duì)細(xì)胞/組織/類器官代謝和生理形態(tài)的影響。測(cè)定了抗腫瘤藥物牛蒡根素對(duì)PANC-1細(xì)胞系的影響，記錄了實(shí)時(shí)生物電阻的變化。細(xì)胞類型：PANC-1人胰腺癌，貼壁細(xì)胞。

3. 環(huán)境監(jiān)測(cè)（細(xì)胞/組織/類器官）

     以藻類的代謝活性為指標(biāo)來(lái)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。本例顯示了克氏小球藻在被苯嗪草酮污染后光合活性的降低，去除毒素后光合活性的恢復(fù)。細(xì)胞類型：chlorella kesslerialgae小球藻，懸浮細(xì)胞。

4. 醫(yī)學(xué)研究（細(xì)胞/組織/類器官）

      為了在治療前評(píng)估藥物的有效性，可以測(cè)試藥物對(duì)病人的細(xì)胞/組織/類器官的代謝學(xué)影響。

• 胰島，特別是產(chǎn)生胰島素的beta細(xì)胞，可以在不同的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)條件下表現(xiàn)出不同的代謝活性。在該實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)暴露于相當(dāng)于生理上低血糖和高血糖水平的葡萄糖濃度時(shí)，可檢測(cè)到beta細(xì)胞系的代謝活動(dòng)呈現(xiàn)出明顯區(qū)別，反應(yīng)了不同條件下的胰島素分泌的不同。（Gln 谷氨酰胺；Glc葡萄糖）

• 細(xì)胞類型：INS-1E，beta細(xì)胞系，貼壁細(xì)胞

      Cisplatin（順鉑）是一種有效的抗癌藥物，用于治療多種實(shí)體瘤，如卵巢癌和肺癌等，并用于輔助治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤。

• Cisplatin與DNA的嘌呤堿基交聯(lián)，干擾DNA的修復(fù)機(jī)制，引起DNA損傷，激活多條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，包括ERK、p53、p73和MAPK，其中對(duì)激活凋亡影響大，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

• 細(xì)胞類型：MCF-7人乳腺癌細(xì)胞

5. 類器官監(jiān)測(cè) 芯片上的類器官：通過(guò)自動(dòng)氣液界面監(jiān)測(cè)皮膚類器官的細(xì)胞產(chǎn)酸率和跨膜電阻值

Skin-on-a-Chip，Genes, 2018, 9, 114

• 作為人體的器官，皮膚代表著人體內(nèi)部和外部環(huán)境之間的結(jié)構(gòu)學(xué)屏障，將體內(nèi)器官與毒素、病原體隔離開來(lái)，并保護(hù)內(nèi)部器官免受紫外線輻射。除了屏障功能，人體皮膚還執(zhí)行人體的幾個(gè)基本功能，如熱調(diào)節(jié)、感覺(jué)和排泄。皮膚是人體抵御外部環(huán)境的影響的第一防護(hù)罩，新的化學(xué)物質(zhì)的研究，如藥物和毒素，分析和評(píng)估其對(duì)皮膚完整性的影響就是不可少的。因此，人們開發(fā)了3D皮膚類器官模型來(lái)再現(xiàn)體內(nèi)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)出三維重建人表皮模型（reconstructed human epidermis，RhE），用于在制藥、化妝品和環(huán)境研究中評(píng)估皮膚暴露于外源性物質(zhì)后的毒性反應(yīng)。

• 通過(guò)IMOLA分析儀監(jiān)測(cè)皮膚類器官模型的細(xì)胞產(chǎn)酸率（EAR，pH）和 細(xì)胞層的跨膜電阻值（impedance，TEER，[Z]）。通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)RhE細(xì)胞模型超過(guò)48小時(shí)的TEER和EAR數(shù)據(jù)表明， IMOLA分析儀可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定培養(yǎng)芯片上的皮膚類器官，并監(jiān)測(cè)整個(gè)代謝過(guò)程。

6. 類器官監(jiān)測(cè) 芯片上的類器官：在Transwell上監(jiān)測(cè)人體小腸類器官的跨膜電阻值

Tissue-on-a-Chip, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, August 2020

• 藥物毒性的研究之中，重要的一點(diǎn)就是要腸道的吸收。臨床前體內(nèi)評(píng)估通常依靠小鼠或大鼠模型。然而動(dòng)物模型不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)藥物對(duì)于人體各個(gè)方面的效應(yīng)。從結(jié)腸（大腸）癌中提取的Caco-2細(xì)胞廣泛應(yīng)用于體外藥物吸收和毒性評(píng)估的。但是，細(xì)胞系和小腸組織的相關(guān)性有限，目前只能預(yù)測(cè)跨細(xì)胞（細(xì)胞內(nèi)途徑）滲透過(guò)程。此外，貼壁單層Caco-2缺乏細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用，不能模擬人小腸的多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

• 為了克服這種生理相關(guān)性的不足，科學(xué)家開發(fā)了新的三維重建人體組織模型，在整合的氣液界面（ALI）上培養(yǎng)三維小腸類器官—EpiIntestinal-FT。這個(gè)基于人體細(xì)胞的3D類器官整合了腸上皮細(xì)胞、Paneth細(xì)胞、M細(xì)胞、簇細(xì)胞和腸道干細(xì)胞以及人腸道成纖維細(xì)胞，可以用來(lái)表征腸道功能，包括屏障、代謝、炎癥和毒性反應(yīng)。

• 通過(guò)三通道IMOLA分析儀，監(jiān)測(cè)EpiIntestinal-FT的細(xì)胞層的跨膜電阻值（impedance，TEER，[Z]）。整個(gè)測(cè)量過(guò)程是非侵入性的、實(shí)時(shí)的，并且周期性自動(dòng)更新培養(yǎng)基。在電阻值測(cè)量中，培養(yǎng)小室的頂部分別注入培養(yǎng)基，PBS和2.0% SDS。該系統(tǒng)在三個(gè)通道中都有一個(gè)自動(dòng)的ALI，可以一次在三個(gè)芯片上進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)。

7. 多類器官串聯(lián)監(jiān)測(cè) 生物芯片上的多器官串聯(lián)—多類器官代謝分析

Label-free monitoring of whole cell vitality, 35th Annual International Conference of the IEEE EMBS, Osaka, Japan, 3 – 7 July, 2013, 1607-1610

• IMOLA-IVD是一種用于在線分析活細(xì)胞組織類器官的系統(tǒng)解決方案。它利用生物芯片BioChip-C直接監(jiān)測(cè)活細(xì)胞組織類器官的代謝學(xué)參數(shù)和活細(xì)胞形態(tài)變化（生物阻抗）。樣本無(wú)需標(biāo)記，可以并行或串聯(lián)，連續(xù)且實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)周監(jiān)測(cè)。使用活細(xì)胞/組織/類器官作為樣本在體外研究藥物的毒性，以評(píng)估藥物對(duì)活細(xì)胞/組織/類器官的作用和效應(yīng)。

• 該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)包括：多參數(shù)（代謝學(xué)和形態(tài)學(xué)測(cè)定）、長(zhǎng)期連續(xù)、無(wú)需標(biāo)記、高靈敏度以及優(yōu)化的灌流系統(tǒng)（可進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)換液，加藥，去藥等過(guò)程）。 該系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可通過(guò)灌流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多器的官串聯(lián)培養(yǎng)監(jiān)測(cè)。模塊1培養(yǎng)的是具有代謝活性的細(xì)胞類器官（如HepG2三維細(xì)胞球）。這些細(xì)胞將前體藥物轉(zhuǎn)化為活性藥物后，被灌流系統(tǒng)傳送到敏感反應(yīng)的效應(yīng)細(xì)胞類器官（模塊2）中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其效果。為了得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，必須抑制各個(gè)傳感器單元之間的電流干擾，減少試驗(yàn)的干擾，將外界的影響降到低。

• 為確保獨(dú)立測(cè)量所有細(xì)胞電信號(hào)，我們對(duì)細(xì)胞呼吸進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并在23小時(shí)后向儲(chǔ)液瓶中加入了SDS。結(jié)果顯示模塊2中的細(xì)胞受到影響的時(shí)間比模塊1中的細(xì)胞晚了20分鐘。這是由于泵速以及模塊1與模塊2之間的連接導(dǎo)致的延遲。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于兩種不同細(xì)胞或類器官可以獨(dú)立監(jiān)測(cè)，這是混合共培養(yǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。若模塊1中細(xì)胞代謝活性非常低，則可能無(wú)法在介質(zhì)通過(guò)時(shí)積累足夠的活性物質(zhì)。對(duì)于這種特殊情況，可以使用由蠕動(dòng)泵來(lái)控制和調(diào)節(jié)液體流動(dòng)的速度和體積。

發(fā)表的文獻(xiàn)：

FOURIER ANALYSIS IN MICROPHYSIOMETRY

28. January 2019/by webadmin

Wiest, J In Advances in Medicine and Biology 136, Nova Science Publisher, Inc., 2019, ISBN: 978-1-53613-722-3

FETAL BOVINE SERUM (FBS): PAST – PRESENT – FUTURE

20. January 2018/by webadmin

van der Valk, J., Bieback, K., Buta, C., Cochrane, B., Dirks, W., Fu, J., Hickman, J., Hohensee, C., Kolar, R., Liebsch (2018)

Proliferation characteristics of cells cultured under periodic versus static conditions.

Cytotechnology, 2018, doi:10.1007/s10616-018-0263-z

4. December 2018/by webadmin

Gilbert, D.F., Mofrad, S.A., Friedrich, O., Wiest, J.:

Skin-on-a-Chip: Transepithelial Electrical Resistance and Extracellular Acidification Measurements through an Automated Air-Liquid Interface.

21. February 2018/0 Comments/in Publications /by webadmin

Genes, 9(2), 114; doi:10.3390/genes9020114

Alexander F.A., Eggert S., Wiest J. (2018)

Microphysiometry

6. February 2018/0 Comments/in Publications /by webadmin

Brischwein M., Wiest J. (2018). In: Bioanalytical Reviews. Springer, Berlin, Heidelberg,

A novel lab-on-a-chip platform for spheroid metabolism monitoring.

17. October 2017/0 Comments/in Publications /by webadmin

Alexander F.A., Eggert S., Wiest J. (2018)   Cytotechnology, 70/1, 375-386

Biology-inspired microphysiological system approaches to solve the prediction dilemma of substance testing

31. May 2017/0 Comments/in Publications /by webadmin

2017 ALTEX award winner

Marx, U. et al.:, ALTEX, 2016, 33/3, 272-321 DOI: 10.14573/altex.1603161

Data processing in cellular microphysiometry

30. November 2016/0 Comments/in Publications /by webadmin

Wiest, J. et al.: IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2016, 63/11, 2368-2375, DOL 10.1109/TBME.20162533868

Cellular Assays with Multiparametric Bioelectronic Sensor Chips

30. November 2016/0 Comments/in Publications /by webadmin

Wiest, J. et al.: Chimia, 2005, 59/5, 243-246

Cellular signaling: aspects for tumor diagnosis and therapy

29. November 2016/0 Comments/in Publications /by webadmin

Wolf, B. et al.: Biomedizinische Technik, 2007, 52, 164-168, DOI 10.1515/BMT.2007.030

Intelligent Mobil Lab for Metabolics in Environmental Monitoring

29. November 2016/0 Comments/in Publications /by webadmin

Wiest, J. et al.: Analytical Letters, 2006, 39, 8, 1759-1771

Label-free monitoring of whole cell vitality

29. November 2016/0 Comments/in Publications /by webadmin

Weiss, D. et al.: 35th Annual International Conference of the IEEE EMBS, Osaka, Japan, 3 – 7 July, 2013, 1607-1610

北京佰司特貿(mào)易有限責(zé)任公司：

類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)儀-HUMIMIC；單分子質(zhì)量光度計(jì)-TwoMP；灌流式細(xì)胞組織類器官代謝分析儀-IMOLA；光片顯微鏡-LSM-200；超高速視頻級(jí)原子力顯微鏡-HS-AFM；蛋白質(zhì)穩(wěn)定性分析儀-PSA-16；全自動(dòng)半導(dǎo)體式細(xì)胞計(jì)數(shù)儀-SOL COUNT；農(nóng)藥殘留定量檢測(cè)儀（臺(tái)式）—BST-100；農(nóng)藥殘留定量檢測(cè)儀（手持式）—BST-10A；藍(lán)光/綠光LED凝膠成像；臺(tái)式原子力顯微鏡-ACST-AFM；微納加工點(diǎn)印儀-NLP2000/DPN5000；