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firefly®移液工作站助力Sanger研究所开展高通量3D类器官实验

2026-02-10     来源:本站     点击次数:182

引言

类器官是由干细胞在体外诱导发育而成的三维结构,其在形态和遗传特征上与来源组织高度相似。相较于动物模型或培养皿中的单层细胞系等传统研究手段,类器官能更准确地模拟人体生物学特性,因此已成为一种极具前景的研究工具,有助于深入理解疾病机制并推动新疗法的开发。近期,美国FDA出台新规,计划在药物开发中逐步取消对动物实验的强制要求。这一转变意味着,自1938年起延续至今的“动物实验强制令”正在松动。以此为契机,类器官、器官芯片及AI模型等新兴替代技术,正稳步登上药物研发的主舞台。

Matrigel是一种来源于Engelbreth-Holm-Swarm (EHS) 小鼠肉瘤的可溶性基底膜提取物,是目前类器官三维培养体系中最常用的支架基质。其富含多种细胞外基质蛋白与生长因子,不仅能提供结构支撑,更能模拟体内微环境,从而有效促进子3D类器官的生长与自组装。目前,无论自动化还是手动处理 Matrigel 都会面临以下挑战:

温度敏感性:Matrigel在高于10°C时会迅速凝固,导致无法移液。因此,实验全程需在冰上操作,并严格控制时间,严禁在室温下处理。

粘稠度:Matrigel具有较高的粘稠度,且在浓度升高时更为显著。这种高粘稠度使得采用传统的移液枪和工作站移液时难以保证精度,并会导致液体大量残留于吸头与孔板内壁。

质量要求:类器官的评估高度依赖于基于显微镜或高内涵成像的形态学分析。因此,对铺板后的Matrigel在形态上有严格要求,需确保其尽可能满足以下条件:

  1. 位置精准:液滴精确定位于孔板中央。

  2. 形态规则:形成完整的球形结构,边缘清晰,无拖尾现象。

  3. 尺寸均一:在整个培养板中,各Matrigel液滴的三维尺寸需保持高度均一。

  4. 活性保障:所构建的基质环境能够有效维持类器官的活力并支持其正常生长。​

方法

将子宫内膜类器官解冻并传代至第2代(P2)后,重悬于100% Matrigel基质中。随后,使用该悬液在96孔板(Corning Costar)中以每孔5 µL的体积进行点样铺板。为比较手动与自动化操作的差异,其中24个孔(B2–G5)采用手动铺板,另外24个孔(B8–G11)则使用firefly分液模块完成铺板。铺板结束后,将培养板置于Incucyte SX5活细胞成像系统中持续培养7天,并每天进行一次自动成像 (Figure 1)。

手动和 firefly 自动化铺板主要通过以下几个点进行比较:

1. Dome中心性和形态

2. 类器官生长速率

3. 孔间一致性

4. 手动操作时间
 

结果

如Figure 2所示,firefly分配模块在所有24个孔中均形成了球形规则、边缘清晰的Matrigel液滴,且其位置精准居中,展现出高度的一致性。这种优异的均一性和定位精度,即使是经验丰富的科研人员,在手动操作中也难以稳定复现,通常需要投入大量额外的时间和精力。


 

1.通过 firefly 铺板的类器官表现出良好的细胞活力

在为期7天的培养中,通过firefly系统铺板的类器官在数量和面积上均呈现持续增长,且形态学分析显示其处于健康状态:具备预期的尺寸、密度,并形成膜相对较薄的中空结构(Figure 5)。这些结果表明,firefly自动化铺板过程未对细胞活力及增殖潜力产生负面影响(Figure 3)。

2.手动和 firefly 铺板的类器官性能相当

在类器官的生长速率(数量与面积)上,firefly自动铺板与手动铺板的效果相当(Figure 3)。在形态方面,firefly所培养的类器官,其整体形态与表征“圆形度”的指标,也与手动对照组相当(Figure 5)。这些结果一致表明,两种铺板方式下类器官的生理状态高度一致。

3.使用 firefly 进行类器官铺板提高了孔间一致性

在类器官数量与生长面积方面,firefly 铺板孔间的变异性(cv)均小于手动铺板(Figure 3. 中阴影区域对比)。最为显著的是铺板初始阶段类器官数量的差异:尽管第 0 天时两类铺板的平均类器官数量相近,但手动铺板孔间呈现出显著更高的cv(Figure 4)。一致的铺板有利于类器官工作流程,它增强了实验设置的可靠性,减少了由接种环节引入的背景信号与不确定性,从而使实验结果更易解读。

此外,firefly 所铺类器官在形态与圆度上也表现出更低的cv(Figure 3 和Figure 5),尤其是在铺板初期。改善的“圆形度”可能意味着更多类器官处于良好的生理健康状态,这得益于 firefly 温和的液体分配能力。

结论和总结

本研究表明,与手动移液相比,firefly在接种100% Matrigel子宫内膜类器官提供了一种更高效且可扩展的新方法。结果显示,firefly自动化铺板和接种显著提升了孔间一致性,且在为期七天的培养中,类器官的生长与形态表现与手动对照相当。对于需要将小体积Matrigel精确点样于高密度板(96和384孔板)的高通量应用而言,此自动化方案优势尤为明显,可有效克服手动操作劳动强度大、重复性差的瓶颈。

firefly 在进行基质胶类器官接种时,相比于手动操作和传统工作站,具备以下优势:

  • 对不同性质的液体兼容性高,胜任粘稠液体,包括100% Matrigel

  • 配有温控模块,可保持Matrigel在低温的液体状态下进行细胞球接种

  • 既能接种细胞和细胞换液,也能进行给药处理

  • 分液速度快(最快30s 完成 384孔),细胞均一性高,CV值低

  • 分液方式柔和,不会对形成的3D球产生冲击导致细胞损伤或球体冲散

  • 加样定位精准,可以实现每个细胞dome分布于孔的正中,便于后续高内涵拍照观察

  • 通量可提高至96和384孔板,降低3D细胞、试剂、Matrigel等的用量,通量和效率更高

  • 自动化和标准化,节省人力,降低出错率,提高一致性和稳定性

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