高分辨类器官组织微环境制备及智能分析系统

产品概述

      如何制备出具有可控性和重复性的类器官模型，以便更有效的进行活细胞和疾病研究，一直是生物学家进行类器官研究所面临的巨大挑战之一。

      法国Alvéole的PRIMO是创新性定制细胞模型的工具，能在微米级别的尺度下，用非接触、无掩膜的光学蚀刻方法制备细胞模型、以具有超高灵活度和再现性的生物工程手段实现体外微环境的定制，同时可对其机械力学和生化特性进行设计微调，具有高度的灵活性、可控性和可重复性。选择电脑中任意一张图案，PRIMO都能将它投射到细胞培养基质上，利用非接触式、无掩模的光刻技术，在软件和光敏试剂的帮助下获得任意图案的2D蛋白涂层或3D水凝胶或微流控结构，可用于类器官和类器官芯片的制备。

      高分辨类器官组织微环境制备及智能分析系统可以对以上建立的类器官及细胞模型进行快速3D切片式高分辨率共聚焦成像观察及AI智能处理分析，并进行长时间活细胞成像观察。

      目前PRIMO系统在全球用户110+。



产品原理

      用表面蛋白涂层（Micropatterning）、水凝胶建构（Structuration of Hydrogel）、微流道建构（Microfabrication）方法设计类器官细胞模型和类器官芯片，用快速高分辨3D共聚焦技术进行类器官细胞模型和类器官芯片的观察和检测，并具有AI智能处理分析功能，可以进行长时间活细胞成像观察。参考PRIMO原理。

产品特点

1、步骤简单：四步可完成：计算机图案设计、用UV光蚀刻构建基质结构、种蛋白进行基质功能化、将细胞接种到定制好的微环境中。
2、高灵活性：可按照任意图案去构建基质和/或使其功能化，不限图案的大小和复杂程度，只需软件操作即可灵活改变图案，从而生成不同的细胞模型。
3、非接触式、无掩模UV投射：可灵活控制UV的照射强度、照射时间和照射区域对基质进行蚀刻、切割和固化。可以实时观看蚀刻过程，及时调整和优化实验条件。
4、适用于多种基质：用户可以使用任意一个常规的细胞基质：可以是扁平的，也可以是带有微结构的，可以是坚硬的也可以是柔软的，如：玻璃盖玻片、塑料培养皿、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚苯乙烯、水凝胶（PEG丙烯酸酯、聚丙烯酰胺凝胶、琼脂、基质胶）、光刻胶，等。
5、适合多种蛋白：PRIMO的客户日常使用超过10种的各类蛋白：Fibrinogen-488, Fibrinogen-647, Fibronectin, GFP, Neutravidin-488, Neutravidin-647, PLL-PEG-Biotin, Protein A-647, Streptavidin, 初级和次级抗体，等。
6、蚀刻高分辨率：全视野分辨率为1.2µm（ 500×300µm ，20倍物镜）。
7、多层次：可蚀刻256个灰阶层次，粘附不同密度层次的蛋白。
8、多种蛋白：可应用3种不同蛋白（根据实验需求），可从用户日常使用的10多种蛋白质中选取。
9、自动对齐：自动进行检测和图案定位，如自动对齐于微结构或者微图案上。
10、蚀刻速度快：完成整个视野中的图案（500×300µm，20倍物镜），仅需0.5s。
11、快速3D切片式高分辨率共聚焦成像观察及AI智能处理分析。
12、单点扫描工作方式，逐点扫描成像，最大扫描采样≥8000×8000像素；
13、最大扫描视野≥22mm圆内接正方形；
14、扫描速度（22mm视野下）：512×512像素≥30 fps；1024×1024像素≥15 fps；2048×2048像素≥7.5 fps；扫描变焦：1-50X扫描变焦，支持≥360度旋转扫描。
15、机身带左右成像端口，电动切换，机身成像端口视野≥22mm；电动光路切换：100%左侧端口，100%右侧端口，100%目镜筒，80/20左侧端口/目镜筒，机身带防泼水设计。
16、主机带两层平行荧光光路，上下光路不受影响，可直接把类器官制备设备进行耦合安装，在类器官制备的过程中也可以进行成像观察。
17、配备针对共聚焦系统优化设计的平场复消色差物镜。
18、控制和图像分析软件主要功能：
18.1 控制显微镜所有电动部件，识别所有编码部件，控制共聚焦激光、扫描和检测系统；
18.2 软件文件结构：采用多图层多通道设计，可直接拖拽图像实现多通道叠加、多点图像提取、时间序列和时间节点提取等；
18.3 带自动大图拼接和多孔板自动拍摄功能；
18.4 超高分辨率模块：支持每一颗物镜下提高当前图像分辨率，数值孔径1.40以上物镜支持XY平面分辨率数值≤120nm，Z轴分辨率数值≤300nm；
18.5 拍摄：支持6维度图像拍摄和自由组合，既：X/Y/Z空间三位，时间，多波长和多点（含多点图像拼接）；
18.6 拍摄：支持比率图像拍摄和实时比率图像输出；
18.7 拍摄：带光刺激拍摄和分析模块，进行光遗传学实验；
18.8 分析：带全自动交互式测量（支持50个以上形态学参数）、带共定位分析、带三维重建和编辑器、荧光强度随时间序列变化（实时）分析、离子浓度和比率实验分析。
18.9 带人工智能模块组合包：含人工智能降噪模块，经过预训练，可直接在线或者离线对于图像进行处理，提高图像信噪比；含人工智能分离模块，进行人工智能下的图像自动分析和目标分离，针对类器官样品除了荧光通道，还支持在明场图像上进行目标分离；人工智能转化模块，可针对图片或者长时间序列进行无荧光标记图像识别训练，然后进行细胞分离和目标识别分析；人工智能增强模块，可针对较弱图像，进行智能训练以后，即使在如类器官等厚样品在深层扫描后，仍可增强图像质量。
18.10 带高级3维重建渲染，可进行任意通道光切，多种渲染；高级电影编辑器，可实现任意角度旋转、放大和不同通道光切视频录制。
18.11 支持多用户权限管理和锁定。
19、可进行长时间活细胞检测：
19.1 聚焦系统：带红外线跟踪锁焦硬件，支持多孔板锁焦，进行长时间稳定的活细胞拍摄；
19.2 活细胞培养装置：100%二氧化碳气源供气，自动设定后混气，带物镜、培养仓、水浴和顶部加热。

产品应用

类器官应用：

1、PRIMO可以通过水凝胶结构化创建具有3D支撑作用的基质结构，再加上类器官发育所必需的各种细胞生长因子，将多能诱导干细胞或胚胎干细胞培养形成具有三维立体结构的各种类器官进行功能性研究。
2、PRIMO可以将来自于患者的原代肿瘤细胞培养成更接近于体内形态的肿瘤球，进行抗肿瘤药理实验。
3、PRIMO还可以通过构建类器官芯片，创造3D微结构，进行多种细胞的共培养，在体外模拟多个细胞相互作用的体内运行。

所有研究细胞与微环境作用的领域。如：

1、2D细胞微环境建构，研究如细胞迁移/趋触性、细胞黏附、细胞力学、细胞标准化培养、电镜的标准化细胞观察等。
2、3D细胞微环境建构，研究如细胞球培养、类器官、组织工程等。
3、微流体芯片制作，研究如类器官芯片、细胞流体力学研究、小分子扩散研究等。

观察成像：

1、对以上建立的细胞模型进行快速3D切片式高分辨率共聚焦成像观察及AI智能处理分析，可以进行长时间活细胞成像观察。
2、活细胞运动快速成像。
3、内质网快速成像，防止荧光淬灭。
4、其他快速高分辨共聚焦应用等。

应用展示

1、非粘附性基质的细胞球标准化培养

      下图：上图：光聚合的PEG水凝胶（4-arm-PEG-acryl hydrogel）槽内的HEK细胞球。
      下左图，下中图：共聚焦荧光显微图像，PEG水凝胶槽内的小球体和双球体。



      PRIMO作用：细胞球是细胞的聚集，可以作为生理模型或复杂类器官的起始模型。非粘附性水凝胶基质固化形成微孔，细胞种植其中形成细胞球，可形成多种细胞共培养、由多种蛋白调控的3D组织类器官模型。

2、粘附性基质的细胞培养

      下图：PEG水凝胶通过聚合形成特定形状，然后用交联分子的方法进行装饰，允许COS-7细胞在这些结构中生长，以模拟毛细血管（上图）和小肠绒毛（下图）。中列：Z轴颜色编码的共聚焦荧光显微镜图像，显示COS-7细胞种植在凝胶上，肌动蛋白染色。右列：Z轴用3色最大化投影显示的共聚焦荧光显微图像，显示纤连蛋白（红色），肌动蛋白细胞骨架（绿色）和核膜（蓝色）。



      PRIMO作用：混合其他水凝胶，形成粘附性基质，通过光固化和光剪切，使UV敏感的水凝胶形成特定形状，表面进行功能化，再种植细胞。

3、修饰水凝胶结构

      下图：修饰水凝胶结构的原理示意图



      下图：蓝色为水凝胶，红色为黏附的纤维连接蛋白（fibronectin）。中间和右侧为共聚焦图像。



      PRIMO的作用：混合惰性水凝胶和其他水凝胶，形成粘附性基质，或改造惰性水凝胶成为粘附性基质，再通过光固化和光剪切，使UV敏感的水凝胶形成特定形状，表面进行功能化，再种植细胞，可创造不同的细胞模型，可形成以水凝胶为骨架，多种细胞共培养、由多种蛋白调控的3D组织类器官模型。

4、用微制造设计“类器官芯片”（微流控芯片）

      下图：用微制造（Microfabrication）设计“类器官芯片”（微流控芯片），研究者将不同类型的细胞注射到芯片的不同的腔室/管道里，以重现造血干细胞的微生态环境：顶部腔室里的成骨细胞模拟骨骼成分，底部腔室里的HUVEC细胞模拟血管成分，造血干细胞被注射进入中间的通道。



      PRIMO作用：设计“类器官芯片”，创造共培养微环境，在体外模拟多个细胞相互作用的体内运行。