使用MANTIS®液体处理器扩大类器官培养：来自麻省理工学院的案例研究

类器官使研究人员能够以非凡的保真度研究组织生物学。通过使用3D体外培养系统显示特定器官关键特征，这些复杂的多细胞结构给予了我们与生理相关的见解，帮助推动了许多研究领域。传统类器官培养的一个主要限制是它通常是一个劳动密集型、高接触的过程，需要高度专业化的人员来实现中等通量。麻省理工学院 (MIT) Shalek 实验室的研究人员使用 FORMULATRIX公司 的 MANTIS® 液体处理器，能够快速筛选超过 450 种不同剂量的小分子，以了解它们增强小肠类器官内潘氏细胞分化的能力。MANTIS® 提供了之前无法实现的通量水平，对于推进对有限样品材料的多重变化的理解至关重要。

肠上皮屏障是重要的治疗靶点

由皮肤、气道和肠道细胞形成的组织屏障提供与环境的相互作用和保护。它们起到平衡体液、营养、电解质和代谢废物水平的作用，与免疫系统密切合作，提供对病原体的防御，并在肿瘤监测和根除中发挥重要作用。

组织屏障功能障碍与广泛的疾病状态有关，比如感染、癌症、过敏和各种自身免疫性疾病。尽管可以通过抗病毒药物和抗生素等疗法来减轻环境暴露，而且还可以使用疫苗和免疫疗法改变免疫反应，但在某些情况下，靠现有方法并不能解决问题。

尽管是组织屏障的关键组成部分，但迄今为止，肠上皮屏障作为治疗靶点尚未得到充分利用。使用类器官系统对不同来源的肠上皮屏障组织进行建模，研究人员可以更好地了解这些复杂的系统，从而开发出治疗多种疾病的疗法。

类器官模型正在推动研究进展

类器官代表了近年来干细胞研究中最有价值的进展之一。源自单个成体干细胞、包含成体干细胞的组织样本或通过多能干细胞的定向分化，类器官包含能够分化为器官特异性细胞类型的干细胞群。这些细胞表现出与所代表器官相似的空间组织和功能，产生模拟体内条件的生理相关系统。

图 1. 类器官表现出与代表器官相似的空间组织和功能，例如这种小肠类器官的隐窝/绒毛形态。

类器官研究受到通量的限制

有多种方法可以培养类器官。这些方法包括在存在成纤维细胞饲养层的情况下或在受控生物材料基质的表面上培养干细胞，但最流行的方法是将干细胞封装在生物衍生的细胞外基质 (ECM) 中，例如 Matrigel®。通过用含有特定生长因子的细胞培养基包裹平板接种的 Matrigel® dome，细胞随后增殖形成代表研究者感兴趣器官的三维结构。

图2. Matrigel® dome 包裹干细胞，促进它们增殖以形成与生理相关的三维结构。

Matrigel® dome上进行类器官平板接种有三个特定要求：1) 将载有细胞的 ECM 精确沉积到预热的组织培养板上，避免孔的边缘以保持最大生长所必需的dome形状； 2) 以非常小的体积进行精确操作，因为样品材料通常非常有限； 3) 合理程度的温度控制，因为 Matrigel® 和类似基材在 4℃ 时以粘性液体形式存在，需要温暖的表面和环境才能形成固化的水凝胶。

由于这些要求，将类器官培养物小型化以达到与传统筛选设备（96/384/1536孔格式）兼容的规模是极具挑战性的。虽然，相当琐碎且耗时的Matrigel® 沉积过程可以在 48 孔板上通过手动完成，但是在更大的孔板容量时液滴错误形成率会显著上升，并极大地限制了实验的可重现性。

MANTIS® 是一种用于小型化类器官研究的实验台大小的解决方案

为了克服手动 Matrigel® 沉积方法的局限性，麻省理工学院 Shalek 实验室的研究人员使用 FORMULATRIX 的 MANTIS® 液体处理器将 Matrigel® 液滴分配到各种板格式（最多 384 孔）中。本研究的目的是在适合高通量方法的规模下使用小肠类器官系统完成化合物筛选活动。 

MANTIS®使用单通道非接触式微流控分配器一次输送单个试剂至单个孔中，将液体限制在一次性芯片内，以防止交叉污染，且无需清洗。行业领先的小于3%的CV支持着低至0.1µL的精确体积输送，同时通过容纳6-48个芯片和处理高达25 cP的水溶液（相当于室温下约60%的甘油）实现了多个工作流程的灵活性。

除了这些功能外，MANTIS占地面积很小，仅1ft3，这意味着它可以轻松地安装在冰箱或培养箱等温度控制环境中。它还与广泛的实验室软件和仪器兼容，能够无缝集成到现有的工作流程中。

图3. MANTIS® 的占地面积非常小，可以在温度受控的环境中进行密封。在本次试验中将MANTIS® 放置于冰箱内，使得在 4℃下将 Matrigel® 平板接种到加热表面（灰色 =冷，红色 = 暖）。这些是形成 Matrigel® dome的理想条件。

小肠类器官培养的小型化给予了关键见解

麻省理工学院 Shalek 实验室的博士后 Ben Mead 及其同事使用 MANTIS® 使现有工作流程小型化，并在小肠类器官系统中筛选了一个化合物库，以识别可能增强潘氏细胞分化的工具分子。这些是人类小肠的主要抗微生物生产细胞，对上皮屏障功能至关重要。

在应用稳健的统计测量数据（尚未发布）之后，Mead 及其同事确定了许多苗头化合物。其中一些已进入后续研究，为描绘新的生物靶标供潘氏细胞定向分化考虑提供了重要机会。

规模扩大增加了个性化医疗的机会

MANTIS® 的几个关键特性是麻省理工学院研究人员发现的基础。通过使用单个自由臂分配 Matrigel® 液滴，MANTIS® 可在各种板格式（最多 384 孔）中提供精确平板接种，以增加实验规模。该仪器还能容纳 1536 孔板，可根据需要进一步扩展通量。

可清洗的一次性芯片连接移液器吸头，让麻省理工学院的研究人员能够处理有限的样本量，同时降低试剂需求和相关成本。此外，MANTIS® 的占地面积小意味着整个装置可以轻松安装在标准冰箱中，并与预热块结合，以将冷却的 Matrigel® 液滴准确地沉积在预热的组织培养表面上（见图 4 ); 与手动技术相比，这种平板接种得到显著改进。

图 4. MANTIS® 显着降低了试剂需求，包括每孔 Matrigel® 体积、平板接种培养基体积和肠道类器官接种数量，同时还能缩短平板接种时间。

麻省理工学院的研究人员已经证实，MANTIS®所提供的微型化方法在研究有限材料的多重变化方面是有效的。这与检测来自单个患者活组织检查的类器官相关，并为个性化医疗开辟了许多新机会。随着技术的发展，加入其他测量模式将进一步提高模型保真度。MANTIS®是实现更大规模需求的关键。