類器官（Organoids）是一種能夠模擬組織特征的微型化三維（3D）結構。為了研究類器官的發育、細胞異質性和藥物反應，需要能夠在同一平臺內實現培養、染色和快速高內涵成像（HCI）。傳統類器官的基質膠穹頂培養存在一個重要挑戰，即類器官的隨機分布使其遠離成像基質。為了捕捉所有類器官，用戶需要通過耗時的方法利用大量視場（FoV）對整個穹頂體積進行成像。此外，當在多孔板中接種成體干細胞來源的類器官（ASO）時，與孔壁的接觸常常導致類器官停留在邊緣，從而在孔中產生畸變和不均勻的類器官分布。這兩個問題都需要將類器官轉移到具有薄基底的次級平臺進行高分辨率成像。然而，轉移類器官會帶來許多缺點和挑戰。此外，當從基于水凝膠的細胞外基質（ECM）中釋放出來時，類器官無法完全固定以進行基于成像的檢測分析。在用于高通量篩選的快速成像過程中，由于顯微鏡載物臺的移動或成像孔中試劑的流動，未完全固定的類器官可能會漂移，從而導致圖像模糊。
迄今，已有研究提出多種新型裝置用于ASO的平臺上培養和成像，但它們仍然在不同程度上受到上述限制的影響。盡管這些裝置能更好地控制ASO的空間分布，但許多裝置缺乏薄基底，或者需要復雜的系統才能進行高分辨率成像。
據麥姆斯咨詢介紹，為了應對上述挑戰，美國得克薩斯大學奧斯汀分校的研究團隊努力解決了六大關鍵問題，以開發一種高效的培養和成像平臺，實現ASO的高通量和高內涵成像（HCI），具體包括：（1）無轉移培養、免疫熒光染色和高分辨率成像；（2）類器官在Z軸方向的位置跨度有限；（3）預設類器官位置，以實現高通量檢測；（4）類器官完全固定；（5）用于高分辨率成像的扁平、超薄基底；（6）可擴展且經濟高效的高通量篩選設計。為此，研究團隊設計了一種新型類器官芯片OrganoidChip+，以滿足高內涵成像的六大關鍵需求。相關研究成果已經以“A microfluidic platform for culturing and high-content imaging of adult stem cell-derived organoids”為題發表于Scientific Reports期刊。
OrganoidChip+的尺寸和工作原理
芯片外和芯片上培養的類器官的生長速率
OrganoidChip+由一個入口、一個培養室、兩個側面灌注通道、六個捕獲區（TA）和一個用于產生流體動力學阻力的蛇形出口通道組成。培養室的高度限制在550μm，以促進類器官在薄玻璃基底附近生長，從而能夠使用高數值孔徑物鏡進行高分辨率成像。
對在OrganoidChip+中培養的熒光標記類器官進行寬場成像
此前，類器官芯片作為一種成像工具，其捕獲區用于類器官固定和高分辨率成像。在本研究中，研究人員通過實現類器官的芯片上培養，增強了芯片的功能。改進后的芯片設計在培養室兩側各設有一個灌注通道，以確保試劑更均勻地輸送到培養的類器官中。芯片上培養的類器官的平均生長速率與多孔板中片外培養的類器官相當，表明該器件為ASO提供了良好的培養環境。
類器官在芯片外與芯片上培養、生長及免疫熒光染色后獲取的熒光共聚焦圖像
類器官培養之后，研究人員利用高分辨率成像在芯片上實施了三種基于圖像的檢測分析，包括類器官活力檢測、利用無標記雙色雙光子顯微鏡進行的氧化還原比率評估，以及利用共聚焦顯微鏡進行的免疫熒光檢測。這些研究通過實現培養、無轉移染色和高分辨率成像，展示了較高的細胞活力、氧化還原比率以及相關的細胞表型。研究人員預計，OrganoidChip+將通過在一個平臺上實現類器官的實時監測和單個類器官的高內涵終點分析，在類器官研究中發揮關鍵作用。
在同一芯片內培養、固定并經DAPI和WGA染色的類器官高分辨率圖像
這些進展之所以能夠實現，得益于OrganoidChip+的特殊設計，該設計完全滿足ASO成功進行高內涵成像的要求。該芯片的設計包含多個關鍵特征，相比現有技術具有明顯優勢。最值得注意的是，它通過將類器官固定在六個捕獲區域內，在類器官從基質膠中釋放后實現了完全固定，以防止成像過程中的任何移動和模糊。捕獲區域還為類器官提供了預定位置，使顯微鏡載物臺能夠自動定位，從而實現快速圖像采集。成功進行高內涵成像的另一項關鍵設計考量，是確保與高分辨率顯微物鏡的光學和幾何兼容性。為此，該芯片采用了薄玻璃基底和低高度培養室，以盡量減少所需的Z軸圖像數量。此外，研究人員選擇了100μm的最小通道尺寸，以兼容具有成本效益的大規模制造方法，例如采用塑料的注塑成型。使用塑料而非PDMS可消除PDMS的吸收特性，這種特性可能會干擾測試結果，尤其是在處理小疏水分子時。
未來的進一步研究，OrganoidChip+可以擴展為24孔或48孔格式，并采用標準的SBS尺寸制造，以支持高通量研究。將多個不同類型ASO的芯片相互連接，有望構建出具備自動化流體處理和成像能力的多器官芯片系統。隨著這些增強功能的全面實現，預計OrganoidChip+將成為在類器官培養、染色、固定和高內涵成像方面極具競爭力的平臺。OrganoidChip+能夠在單一集成系統中支持類器官端到端的分析，這一特性將使其成為基礎研究和轉化應用中極具價值的工具。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41598-025-23883-2
延伸閱讀：
《微流控技術及市場-2024版》
