用于制备中空3D细胞组织结构的模具和方法技术

本发明专利技术涉及用于制备中空3D细胞组织结构如类器官的模具及其应用。还提供了用于制备中空3D细胞组织结构如类器官、特别是人类仿真心脏的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于制备中空3D细胞组织结构的模具和方法本专利技术涉及一种用于制备中空3D细胞组织结构如类器官(特别是人类仿真心脏(heartmimic))的模具，该模具包括：外部主体，其具有界定该外部主体中的空腔的内表面；和内部主体，其具有外表面，其中，所述内部主体定位于所述外部主体的空腔中，并且其中，所述外部主体的内表面和所述内部主体的外表面围成了在二者之间的用于在其中容纳细胞的培养室。此外，本专利技术还涉及一种用于制备中空3D细胞组织结构如类器官(特别是人类仿真心脏)的方法。药物的研发过程常常由新研发药物的特异性及低功效加上其毒副作用所困扰，从而导致高的损耗率。因此，药物的研发过程通常为高成本且耗时的过程。尽管在世界范围内用于开发的费用日益增加，但进入市场的新分子实体(newmolecularentities)的实际数量却在下降。例如，心血管疾病(遗传性疾病和后天获得性疾病，包括离子通道病(channelopathies)、心肌病、心肌梗塞等)在世界范围内是发病率和死亡率的主要原因，但是尚未获得完全有效的治疗方法。出现药物诱导性心脏毒性是临床安全性试验中30％的候选药物失败的原因，使得新药无法应用于患者，并造成数十亿欧元的投资损失。在更好地理解疾病的潜在机制以及避免药物诱导性心脏毒性方面的主要局限性在于缺乏可预测的3D细胞组织模型。这种局限性是源于以下事实：由于伦理问题以及缺乏年龄对照和基因匹配对照，无法以人类进行临床前研究。而使用动物模型的缺点是这些非人类模型不能如实地重现人类疾病，这严重限制了这些模型的可预测性和有效性。人类干细胞的使用，特别是关于人类诱导性多能干细胞(hiPSC)的产生的开创性发现，为个性化药物打开了大门，即利用来源于患者的细胞进行人类体外疾病建模和制备用于再生药物的人类特定细胞类型。因此，在过去的数年中已经开发了新的方法来基于此类细胞生成3D组织结构。一种制造3D细胞组织的已知方法是基于将细胞(例如hPSC心肌细胞)浇铸在模具中，所述细胞被细胞外基质(ECM)如基质胶(Matrigel)、胶原蛋白I和纤维蛋白包围，所述模具具有内部主体，该内部主体位于外部主体的空腔中，其中，外部主体的内表面与内部主体的外表面围成了在二者之间的培养室以用于在其中培养细胞组织。现有模具的缺点在于其中的组织的特定3D结构由设置在模具的内部主体与外部主体之间的培养室确定。当所述主体具有复杂的形式时，特别是在不干扰已形成的3D组织的情况下，由于在培养室中形成3D细胞组织结构后去除模具主体可能很困难，因此现有的模具将仅限于提供相对简明形状的3D细胞组织结构。例如，以当前技术极难或甚至不可能制成特征为比90°尖锐的角的形状、椭圆形状或不同形状的组合，例如模仿心脏的一个心室或者一个心房与一个心室的组合。因此，本专利技术涉及用于产生具有高度结构复杂性的基于细胞的结构(生物组织)的装置和方法。更具体地，本专利技术能够制造具有中空特征的基于细胞的结构。本专利技术的一个特定目的是提供一种用于制备中空3D细胞组织结构的改进模具。本专利技术的另一特定目的是提供一种用于制备类器官、特别是人类的类器官的改进模具。本专利技术的又一特定目的是提供一种用于制备人类仿真心脏的改进模具。为了满足本专利技术的这些以及其他的目的和方面，本专利技术提供了如所附一项或更多项权利要求中所限定的模具。还提供了如所附一项或更多项权利要求中所限定的方法、用途和生物反应器。特别地，根据本专利技术，提供了一种用于制备中空3D细胞组织结构如类器官、特别是人类仿真心脏的模具，该模具包括：外部主体，其具有界定该外部主体中的空腔的内表面；和内部主体，其具有外表面，其中，所述内部主体定位于所述外部主体的空腔中，并且其中，所述外部主体的内表面和所述内部主体的外表面围成了在二者之间的用于在其中容纳细胞的培养室，所述模具的特征在于所述内部主体以变形(fugitive)材料制成为预定形状，从而使得所述内部主体的至少一部分能够在不影响所形成的细胞结构和/或细胞组织的完整性的情况下得以降解。根据本专利技术的模具将生物相容性变形材料的可降解性或融化性与细胞结合在一起，从而允许形成具有复杂形状和特征的三维生物组织。因此，根据本专利技术的模具特别适用于制备类器官。由于根据本专利技术的模具包括由变形材料制成的可降解的内部主体，因此它特别适用于制备具有空腔的类器官或中空的类器官。这种类器官的非限制性示例是心脏类器官、肾类器官、肺类器官、消化道类器官、膀胱类器官和眼类器官。在一些优选的实施方案中，用根据本专利技术的模具来制备人类的类器官。如本文所使用的，人类类器官被定义为这样的类器官：其包含来源于人类细胞的细胞，例如，该细胞来源于人类干细胞和/或人类祖细胞和/或分化程度更高的人类细胞，例如来自生长(分裂)中的人类组织细胞。特别地，根据本专利技术的模具允许制备人类仿真心脏，其具有呈现出心脏空腔的中空结构并允许细胞组织中的心肌细胞收缩和实现心脏的泵血功能。相同的构思适用于例如肺中的肺泡或肾脏中的肾髓质(椎体)或消化道、膀胱或眼睛的中空结构。根据本专利技术，通过以下方法制备3D细胞组织结构、特别是类器官：-制备外部主体，所述外部主体具有界定该外部主体中的空腔的内表面；-制备内部主体，所述内部主体为变形材质、呈预定形状并具有外表面；-将所述内部主体放置在所述外部主体的空腔内，其中，所述内表面和所述外表面围成了在二者之间的培养室；-提供细胞，特别是干细胞、祖细胞、心肌细胞和/或其他心脏细胞，到所述培养室中；-在所述内部主体的外表面周围的培养室中，将所述细胞置于温育条件下一段时间以促进支承细胞结构(supportedcellstructure)的形成，和/或将其置于温育条件下以促进细胞组织的形成；-将所述变形材料的内部主体置于使该变形材料反应的条件下从而使该内部主体降解，以从所述空腔中除去该内部主体，而不显著影响在培养室中形成的支承细胞结构或细胞组织的完整性，并保持该支承细胞结构或形成的细胞组织的功能。如本文所使用的，术语“支承细胞结构”是指其中细胞的运动能力与水溶液中的细胞的运动能力相比降低的结构。优选地，细胞的运动能力被限制到这样的程度即它们是固定的，这意味着细胞保持在给定位置周围的特定区域内。优选地，这是通过将细胞包封到水凝胶中来实现的。因此，优选的支承细胞结构是具有被包封的细胞的水凝胶。如本文所使用的，术语“组织的形成”是指其中细胞彼此连接的过程。通常，组织的形成涉及细胞的增殖和/或细胞彼此的附着，从而生长出细胞组织结构，优选其为类器官。促进支承细胞结构的形成的温育条件例如包括允许使培养基、液体、胶状组合物或细胞悬液的黏度提高的条件，和/或允许形成水凝胶的条件。促进细胞组织的形成的温育条件例如包括约37摄氏度的温度和/或包含5％CO2和21％O2的环境。如本文所使用的，术语“不显著影响所形成的支承细胞结构或细胞组织的完整性”是指所形成的支承细胞结构或细胞组织的结构和/或功能不会由于内部主体的降解而被显著改变。在优选的实施方案中，内部主体的降解不会不利地影响培养室中的支承细胞结构或细胞组织的完整本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模具，其用于制备中空3D细胞组织结构如类器官、特别是人类仿真心脏，包括：外部主体，其具有界定所述外部主体中的空腔的内表面；内部主体，其具有外表面，其中，所述内部主体定位于所述外部主体的空腔中，其中，所述外部主体的内表面和所述内部主体的外表面围成了在二者之间的用于在其中容纳细胞的培养室，所述模具特征在于：所述内部主体由变形材料制成为预定形状，从而使得所述内部主体能够在不显著影响所形成的细胞结构和/或细胞组织的完整性的情况下得以降解。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180307 EP 18160489.31.一种模具，其用于制备中空3D细胞组织结构如类器官、特别是人类仿真心脏，包括：外部主体，其具有界定所述外部主体中的空腔的内表面；内部主体，其具有外表面，其中，所述内部主体定位于所述外部主体的空腔中，其中，所述外部主体的内表面和所述内部主体的外表面围成了在二者之间的用于在其中容纳细胞的培养室，所述模具特征在于：所述内部主体由变形材料制成为预定形状，从而使得所述内部主体能够在不显著影响所形成的细胞结构和/或细胞组织的完整性的情况下得以降解。


2.根据权利要求1所述的模具，其特征在于：所述内部主体和所述外部主体由变形材料制成。


3.根据权利要求2所述的模具，其特征在于：所述内部主体和所述外部主体由不同的变形材料形成。


4.根据权利要求3所述的模具，其特征在于：所述变形材料包括：明胶、特别是至少10％的明胶，和/或F-127和/或聚乙烯醇(PVA)。


5.根据前述权利要求中任一项所述的模具，其特征在于：所述变形材料适合于在以下情况下降解：在高于或低于温度阈值的情况下和/或在酶存在的情况下和/或在反应性的化合物存在的情况下和/或通过超声处理的情况下和/或在波长大于或小于阈值的光存在的情况下。


6.根据权利要求5所述的模具，其特征在于：所述变形材料适合于在10至50摄氏度之间、更特别地在25至40摄氏度之间的温度下降解。


7.根据前述权利要求中任一项所述的模具，其特征在于：所述变形材料在低于10摄氏度时基本上是固态的，并且适合于在高于10摄氏度时融化和/或液化，特别是在10至42摄氏度之间的温度下融化和/或液化。


8.根据权利要求1至6中任一项所述的模具，其特征在于：所述变形材料在高于15摄氏度时基本上是固态的，并且适合于在低于15摄氏度时融化和/或液化。


9.根据前述权利要求中任一项所述的模具，其特征在于：所述内部主体被制成不规则形状和/或任何其他所需的形状，特别是心室状或心房状或心状的形状。


10.根据前述权利要求中任一项所述的模具，其特征在于：所述外部主体包括至少一个与所述空腔流体连通的开口。


11.根据权利要求10所述的模具，其特征在于：所述外部主体包括：第一开口，其通过用于将流体引导至所述空腔的第一导管与用于容纳的所述空腔间流体连通；以及第二开口，其通过将流体引导离开所述空腔的第二导管与用于容纳的所述空腔间流体连通。


12.根据权利要求11所述的模具，其特征在于：所述外部主体包括入口壁，所述第一开口和第二开口均设置在所述入口壁中。


13.一种方法，其用于制备中空3D细胞组织结构如类器官、特别是人类仿真心脏，其包括以下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：马塞洛·卡塔里诺·里贝罗，佩特鲁斯·克里斯蒂亚努斯·约翰内斯·约瑟夫斯·帕西尔，
申请(专利权)人：特温特大学，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL