智能肺部功能检测仪

肺，作为呼吸和免疫防御的关键战场，在体外建立模拟感染和炎症反应的仿生肺模型一直是生物医学研究人员面临的一项重要但具有挑战性的任务。 长久以来，二维细胞培养模型为我们提供了肺上皮研究的初步平台，然而，这些模型却难以捕捉到肺部复杂多变的三维结构和免疫互动的丰富性。动物模型虽然有三维结构，但与人类肺组织的结构差异增加了制备过程的难度。直接培养人体组织则有免疫细胞丢失、体外维持时间不足等问题。 东南大学团队2023年1月在《Biosensors and Bioelectronics》（影响因子：12.6）期刊上发表了题为“A storm in a teacup -- A biomimetic lung microphysiological system in conjunction with a deep-learning algorithm to monitor lung pathological and inflammatory reactions”的文章（第一作者：东南大学青年至善学者、艾玮得生物CTO陈早早副教授，通讯作者：巢杰教授，浦跃朴教授和顾忠泽教授），介绍了体外肺微生理系统模型的构建方法与应用。该模型不仅在芯片上建立了肺泡-支气管复杂器官模型，而且在模型中引入了多种免疫细胞，增强了模型的仿真性，可以在模型上模拟肺脏病理和炎症级联反应，再现气溶胶微滴在肺中的传播，研究阻断病原传播的方法。该模型对于评价肺泡和支气管的通透性、粘液分泌、炎症反应等功能、开展高风险传染性肺疾病研究有重要作用。 体外肺微生理系统的设计与构建研究人员选择了多种肺上皮细胞系，如BEAS-2B（支气管上皮细胞）、NCI-H441（2型肺泡上皮细胞）、A549和Calu-3，人单核细胞系（THP-1）和人内皮细胞系（HUVEC），并将它们接种到膜式芯片上。芯片由支气管和肺泡腔组成，每个腔室由多孔膜分割为上下两个独立空间，上层接种肺上皮或支气管上皮细胞，下层接种肺血管内皮细胞，这些细胞在芯片内形成了致密的上皮层，模拟了肺部的自然结构。芯片使用多通道流控系统进行液体灌注。B)肺mps的典型构建时间C)上皮和内皮形态分析(I)肺- mps transwell样膜上的肺上皮(BEAS2b)和内皮(HUVEC)示意图。(II)肺- mps的冷冻切片和H&E染色显示在低(上)和高(下)放大下膜两侧存在上皮和内皮(第5天)(III)扫描电镜(SEM)图像显示内皮和上皮在膜上生长(第5天)(IV)芯片腔内内皮和上皮的活/死染色，显示肺- mps细胞的高活力(第7天) 肺微生理系统芯片的应用 1 在肺微生理系统芯片上模拟炎症级联反应巨噬细胞受免疫原性物质如PAMP和DAMP激活，进而分泌炎症因子、活化内皮细胞，造成更多单核细胞粘附并聚集于内皮层，引发炎症级联反应，而炎症级联反应通常用来描述炎症反应的放大。 为了模拟肺炎症反应，研究人员构建了一套器官芯片流路灌注系统，将肺微生理系统先后用组织定居巨噬细胞和循环单核细胞进行灌注，并用脂多糖（LPS）处理模型上腔，激活巨噬细胞，诱发炎症反应。通过连续观测芯片中流动的单核细胞，可以观察到LPS刺激后内皮细胞层有大量单核细胞粘附。炎症因子（如TNF-α、IL-6、MCP1）、跨上皮电阻（TEER）值、肺泡腔粘液分泌等指标的变化也证明了模型的炎症状态。肺器官芯片模拟早期炎症反应A)巨噬细胞在上皮上的播种B)灌注过程中LPS (10 μg/ml)对内皮细胞附着的单核细胞的影响C)在经LPS预处理的肺mps中，红色箭头表示内皮上原有的单核细胞，绿色箭头表示新的单核细胞附着D)扫描电镜图像显示单核细胞附着在内皮与不处理LPSE)肺- mps w/或w/o LPS组内皮上单核细胞粘附的定量比较 2肺微生理系统芯片上用于液滴与空气传播疾病的研究飞沫通过说话、呼吸和咳嗽传播是空气传播疾病的典型传播方式。为了构建能够模拟液滴扩散的体外模型，研究人员设计了一个全面的集成系统，整合了传播链上游的肺器官芯片、雾化器、防护口罩、下游的肺器官芯片以及泵和辅助设备。上游肺芯片肺泡室内的培养液通过雾化器产生液滴或气溶胶，经泵导入下游肺芯片。 在佩戴外科口罩与不戴口罩的情况下，追踪上游形成的色素微滴和荧光微珠扩散至下游介质的情况。结果显示，佩戴口罩能将两者的传播数量减少至5%以下，证明了防护口罩的预防效果。用这一系统也可以观察到伪病毒从病毒感染的上游肺器官向下游的传播，而口罩几乎完全阻止了伪病毒的感染。A）模拟液滴在人体肺部之间扩散的肺器官芯片集成系统B)肺器官芯片流路灌注系统，包括:两个控制系统口罩阻断伪病毒传播。 在空气传播的感染性疾病尤其是呼吸系统疾病领域，构建一个能够全面反映肺部感染和炎症反应的仿生模型，不仅需要技术的革新，更需要对生命本质的深刻理解和对病理过程的精准把握。体外肺器官芯片模型的研究与构建，使得仿生肺模型更加完整，更能模拟真实世界的人体组织内的复杂情况，致力于填补现有科学技术的空缺。 文献索引：Chen Z, Huang J, Zhang J, Xu Z, Li Q, Ouyang J, et al. A storm in a teacup -- A biomimetic lung microphysiological system in conjunction with a deep-learning algorithm to monitor lung pathological and inflammatory reactions. Biosens Bioelectron. 2023 Jan 1 219:114772. doi: 10.1016/j.bios.2022.114772. PMID: 36272347 江苏艾玮得生物科技有限公司（AVATARGET）是一家专注于提供人体器官芯片产品与解决方案的创新型科技公司，致力于器官芯片、智能装备及生物试剂等产品和服务的研发生产，构建器官芯片全产业链生态体系，创新突破传统动物模型与2D细胞模型的限制，解决种属差异难题、实现体外模型3D动态培养，构建高仿真的人体微环境、提高实验数据的准确性，为肿瘤精准诊疗、疾病建模、药物筛选、药物评价、化妆品评价、再生医学研究、航天医学研究等领域用户提供精准高效的产品与解决方案。 本期文献提及的肺器官芯片与肺器官芯片流路灌注系统已在艾玮得生物实现量产转化。单腔膜式芯片可用于构建体外肺模型、肠道模型、肝脏模型、皮肤模型、肾脏模型与血脑屏障模型。高通量膜式屏障芯片可用于构建体外肺模型、肠道模型、肝脏模型、皮肤模型、肾脏模型、血脑屏障模型与免疫共培养模型。器官芯片流路控制系统可实现细胞空间结构排布，模拟细胞生长的流体环境和气体-液体界面环境，实现自动化培养，节省人力，减少误差和人为操作失误，并大大降低实验的复杂性。 欢迎咨询详情：电话：0512-65367666邮箱：bd@avatarget.com.cn

全功能食品安全检测仪在智能化方面表现出色，具备多个智能化特点。首先，该设备采用安卓智能操作系统，拥有人性化操作界面，使得操作变得简单易懂，不需要过多的专业技能和经验。这使得即使没有专业背景的用户也能轻松上手，完成检测任务。其次，全功能食品安全检测仪具备高度智能化的自检功能，包括开机自检、调零功能和自动检测重复功能。这些功能能够确保设备在每次使用前都处于最佳状态，提高检测的准确性和可靠性。此外，该设备还具备强大的数据传输能力，支持wifi联网上传、4G联网传输、GPRS无线远传以及网线连接功能。这使得检测结果可以迅速传输到云监控平台或相关部门，为食品安全监管提供及时、可靠的数据支持。在检测能力方面，全功能食品安全检测仪能够实现多参数一体化检测，包括微生物、重金属、有害添加物、农药残留等。这些参数都是保障食品安全的重要指标，一次性检测多个参数可以大大提高检测效率。最后，该设备还具备智能分析与报告生成功能。通过对检测数据的智能分析，设备可以生成详细的报告，帮助用户更好地理解检测数据，从而做出更准确的食品安全判断。总之，全功能食品安全检测仪在智能化方面表现出色，具备多项智能化特点和功能，为食品安全监管提供了强有力的技术支持。

“这样的装备，我们太需要了，能否赶紧安装到金银潭医院来？”新冠疫情中，患者感染最多发的部位就是肺部，把肺部交换功能病变看清楚，对于病毒致肺生理损伤机制研究和临床治疗非常重要。2020年2月，正是武汉阻击新冠疫情最关键的时期，时任武汉市金银潭医院院长的张定宇得知中国科学院精密测量科学与技术创新研究院（以下简称精密测量院）研制出“人体肺部多核磁共振成像系统”后，当即提出需求。“全力支持！一台不够就想办法再多调几台过去！”收到精密测量院转达的来自武汉战“疫”最前线的请援，中国科学院党组果断指示。中国科学院研究团队主导研发的这款国产高端医疗设备，在抗疫最前线发挥了重要作用。但很多人不知道的是，为了这台能够“点亮”肺部的设备，相关科研团队苦心研究了十多年。人体肺部多核磁共振成像系统外观图。“缉凶”肺是人体的重要器官，肺部疾病严重威胁人民生命健康。权威机构统计，近年来肺癌位居我国恶性肿瘤发病率和死亡率首位。提高对肺部疾病的检测技术水平，及时对肺部疾病进行筛查，开展“肺里缉凶”，是事关人民生命健康的大事。肺部常规影像学检测手段包括胸透和CT（计算机断层扫描）等，但这些技术都有电离辐射，并且无法实现肺部通气、气血交换功能定量检测。临床常用的磁共振成像虽然无电离辐射，但无法对肺部空腔进行成像。简单理解，传统的临床影像检测设备虽能看到明显的肿瘤等病灶，但难以探测肺部疾病早期气血交换功能和微结构的变化，在常规磁共振成像中，肺部往往是一个无法看清的“黑洞”。“如果我们能研制出一套更精密的设备‘点亮’肺部，就能提高对肺部疾病的检测技术水平，有望实现肺部疾病早发现、早诊断、早治疗，挽救千千万万的生命！”十多年前，正是怀揣这份朴素的想法，精密测量院的科研人员开启了这项研究。项目牵头人周欣彼时刚从美国访学归来，对这项前沿设备研发工作满怀憧憬。周欣读博期间开展超灵敏磁共振研究。当时能够“点亮”肺部的高端临床成像仪器，不仅中国没有，国际上也没有。但是，这并不意味着中国科学家不能做出来。周欣告诉记者，这不是个人血性使然，而是国家需求的召唤；不是一腔孤勇，而是站在巨人肩头的使命担当——中国科学院武汉物理与数学研究所（精密测量院前身之一，以下简称武汉物数所）的核磁共振学科有半个多世纪的历史，经过中国科学院院士叶朝辉、刘买利等众多科学家的不懈努力，使中国在该学科领域走在了国际前沿。2013年，周欣作为首席科学家，在武汉牵头启动国家自然科学基金委国家重大科研仪器设备研制专项“用于人体肺部重大疾病研究的磁共振成像仪器系统研制”，开启了艰难攻关。周欣（左二）团队开展实验。“点亮”“缉凶”的关键在于“点亮”肺部“黑洞”。至于如何“点亮”肺部，研究团队一早就确立了基本的研发思路——先寻找一种安全无毒、可吸入的气体作为磁共振的信号源，再想办法将这种信号增强到仪器可以清晰接收的程度，最终让仪器“看清”肺部“黑洞”里的各个位置。思路看似简单，但要将其变成现实却不是件容易的事。起初，团队根据核磁共振信号衰减时长来寻找气体。他们从安全无毒的稀有气体中，筛选出磁共振信号衰减时间较长的氦-3和氙-129两种元素。但他们很快就注意到，氦-3成本昂贵且不溶于血液，不能满足肺部气血交换功能的应用需求，而氙-129具有良好的生物惰性、脂溶性和化学位移敏感性，在肺部功能探测方面具有十分独特的优势。最终，团队选定氙-129气体为肺部造影剂。有了造影剂，接下来要解决的问题就是增强氙-129的磁共振信号，让氙气“显影”。精密测量院磁共振中心工程师谢军帅将这段研究历程称为“坐‘冷板凳’的日子”。“临床磁共振成像信号来源于人体中的水质子，肺部是空腔组织，其水质子的密度仅为正常组织的千分之一，如何实现肺部空腔气体成像是困扰研究人员的一大难题。大家虽然不清楚何时能够研制成功，但都有一个共同的信念——做科研不能急，不求一鸣惊人，只求一战到底！”谢军帅说。在各方支持下，研究团队取得了一系列突破。他们摸索出超极化技术，通过激光增强技术把激光角动量转移至碱金属原子电子，再由电子通过相互作用转移至稀有气体氙原子核上，将氙气体信号显著增强，解决了肺部空腔气体成像难题。他们研发的医用氙气体发生器，在无创情况下有效解决了CT等临床常规影像存在电离辐射的难题，让肺部气体磁共振成像从“不可看”变为“可看”，截至2019年底，已将磁共振信号增强7万倍。他们研制的可穿戴式人体肺部多核磁共振成像探头和升降频多通道射频装置，实现了从“看清”到“好看”的飞跃。他们提出变采样率加速模式和多b值磁共振弥散加权成像图像联合重建方法，实现快速且高质量的图像采集与重建，大大缩短了采样时间。他们采用特殊的k空间采样轨迹填充技术和多呼吸采样策略，显著提高了氙磁共振图像的空间分辨率和时间分辨率……在各项创新技术、装备的基础上，团队研发出“人体肺部多核磁共振成像系统”。该系统由医用氙气体发生器和多核磁共振成像系统两大核心装置组成，实现了临床单核向多核磁共振成像系统的拓展，填补了临床肺部气体交换功能无创可视化评估的空白，开辟了我国临床多核磁共振成像新领域，处于国际领跑地位。这是全球首台气体肺部磁共振成像装备。肺部患者只要吸一口氙气，3.5秒后就能得到一幅人体肺部磁共振3D影像。影像中，气体抵达肺部的位置清晰可见，患者的肺部微结构、气体交换功能情况等一目了然。中国科学院团队研发的“人体肺部多核磁共振成像系统”，有效解决了肺部结构和功能的无损、定量、可视化检测技术背后的科学难题，让肺部疾病“杀手”无处隐藏。同时，这一成果是我国高端医疗装备领域少有的原始创新，实现了自主可控。逆行“人体肺部多核磁共振成像系统”的临床应用，比周欣预想的要快一些。2020年1月22日，周欣正在北京推进医疗器械注册事宜，得知武汉疫情加重的消息后，他坐不住了。当天晚上，周欣就从中国科学院机关搭上出租车，火急火燎地赶往机场。出租车司机听说他要赶回武汉给医院装肺部成像检测设备，一路狂飙，连车费也不要。“这时候还赶回武汉，我不能收你车费。”司机的话令周欣颇为感动。团队其他研究人员也不约而同地从外地往武汉赶。大家都预感一场大仗要开始了，作为“国家队”“国家人”，中国科学院的科研人员不能退缩！即将结婚的团队成员李海东悄悄给家人留下一封信后，连夜从河南自驾赶回武汉。他说：“我们不能不回去，因为我们的设备正是派上用场的时候，我们需要教会医护人员怎么用。”武汉全城封闭，设备该如何运输？他们就打报告申请把设备及时运送到医院。设备运行需要的氙气没有了又该怎么办？周欣决定自己开车，把座椅放倒，拉上气瓶，和团队成员一起赶往医院。这辆小车，从位于武昌的精密测量院出发，经过武汉长江大桥，在昔日车水马龙、灯火辉煌的路上，孤独而坚定地前行。很快，在张定宇的支持下，团队将研制出的“人体肺部多核磁共振成像系统”安装在武汉市金银潭医院，在全球率先开展新冠患者肺功能临床评估，同期还将设备应用于武汉同济医院等抗疫一线，共计对3000余人次的新冠患者进行了肺部微结构和功能的全面评估。人体肺部多核磁共振成像系统支持武汉战“疫”。在医院里，团队成员每天穿着防护服工作十六七个小时，皮肤因汗水、酒精刺激出现红肿，并且反复出现过敏症状……他们的努力没有白费。通过研究，他们在国际上率先发现，普通症出院患者肺部CT影像和吹气肺功能参数虽无异常，但其肺部多核磁共振成像设备影像显示通气功能有轻微损伤、气血交换功能明显受损，大部分普通症出院患者的通气和气血交换功能在第六个月随访时有进程性改善。该成果在《科学》子刊发表，并得到国际同行的高度关注。周欣还应美国约翰斯霍普金斯大学医学院邀请，作线上学术报告。英国牛津大学等机构也跟进开展相关研究，他们指出：“气体磁共振成像技术能够精确定位肺部生理受损部位。”领跑国产高端磁共振装备在疫情中的出色表现并非偶然，从研制伊始，周欣团队就聚焦服务人民生命健康的目标，以应用为导向，不断推动装备从实验室走向社会。2018年4月，精密测量院与相关企业共同成立科技转化公司，负责“人体肺部多核磁共振成像系统”产业化，预计市场规模可达百亿元以上。经过不懈努力，周欣团队研制出的“人体肺部多核磁共振成像系统”在全球率先获得同类医疗器械注册证并开展临床应用，成为全球首个可用于气体成像的临床多核磁共振成像产品。值得一提的是，“人体肺部多核磁共振成像系统”的联合产业化单位——联影集团的领导人薛敏，也是当年在武汉物数所读研的年轻人之一。上世纪80年代，薛敏在武汉物数所获得硕士学位。面对全球医学影像设备被GPS（GE、Philips、Siemens）三家跨国企业垄断的局面，薛敏41岁开始在深圳创业。近些年，他带领企业与精密测量院等研究机构合作，在多项医疗设备上填补了国内空白。中国科学院研究团队主导研制的“人体肺部多核磁共振成像系统”已在中国人民解放军总医院、上海长征医院、武汉金银潭医院、武汉大学中南医院等全国十余家三甲医院和科研单位开展临床应用研究。人体肺部多核磁共振成像系统进入临床应用。精密测量院供图经过优化改进，2024年2月，周欣团队攻克了肺部成像快速采样技术，将采样时间进一步缩短至3.5秒，同时使图像分辨率进一步提高，更好地为无法长时间屏气的肺部疾病患者服务。这也使得自主研发的“人体肺部多核磁共振成像系统”越来越易用、好用。目前，中国科学院和湖北省正支持精密测量院与华中科技大学共建生物医学影像重大科技基础设施。该项目建成后，将为我国生物医学基础研究以及高端生命科学仪器与医学影像装备的研制、应用提供更先进的实验条件，提升生物医学前沿和健康领域开展原创性研究的能力。如今，周欣常常回想起中国科学院武汉分院时任院长叶朝辉在给研究生上专业课时讲的一句话：“国产高端医疗设备一定要做出来！”当时，高端医疗设备被西方跨国企业垄断，仪器采购价格、维修成本高昂，患者就医成本极高。而随着“人体肺部多核磁共振成像系统”的应用与推广，这句话已经兑现。2024年6月，“多核磁共振成像（MRI）装备研制”项目荣获国家技术发明奖二等奖。短暂的激动后，周欣更感重任在肩，他盼望着“点亮”肺部的多核磁共振成像系统尽早走进全国各地的医院，成为老百姓检查单上“看得懂”“用得上”“用得起”的检查工具，为解决肺部疾病诊治难题提供中国智慧。