flexcell品牌Tissue Train 細(xì)胞構(gòu)建組織的三維細(xì)胞機(jī)械力加載測試測量系統(tǒng)
背景
細(xì)胞在 3D 空間中“構(gòu)建”胚胎組織和器官。這是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，需要細(xì)胞之間進(jìn)行不斷的溝通，協(xié)調(diào)它們的動作，產(chǎn)生形成復(fù)雜組織形態(tài)的機(jī)械力.長期以來，生物學(xué)家一直在研究，這些結(jié)構(gòu)形成時細(xì)胞和它們的行為之間的聯(lián)系，但是直到現(xiàn)在，還沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)胞產(chǎn)生用來形成這些結(jié)構(gòu)的力，美國flexcell品牌Tissue Train ?細(xì)胞構(gòu)建組織的三維機(jī)械力加載測試系統(tǒng)提供了測量3D細(xì)胞之間的作用力的新方法,該系統(tǒng)可使用種子細(xì)胞構(gòu)建長度達(dá)35mm的生物人工組織，并可在體外模擬仿真體內(nèi)力學(xué)環(huán)境進(jìn)行培養(yǎng)測試組織力屬性，量化加載、測量細(xì)胞形成組織的作用力.
Flexscan細(xì)胞形成組織機(jī)械力自動記錄測量系統(tǒng)可：
1.自動掃描設(shè)備和面積計算軟件
2.記錄三維人工組織中凝膠的壓實(shí)過程。
3. 自動，重復(fù)掃描凝膠包裹種子細(xì)胞體。
4. 分辨率可達(dá)到600 dpi。
5.用戶可設(shè)定掃描頻率，次數(shù)。
6.與Tissue Train系統(tǒng)一起使用，可以記錄三維細(xì)胞形成組織培養(yǎng)凝膠的壓實(shí)動力學(xué)。
7.儲存的圖像可以輸入xyflex程序進(jìn)行凝膠面積計算。
8.xyflex軟件：測量三維人工組織的壓實(shí)力曲線
Tissue Train 測量體系介紹
體外培養(yǎng)在與真實(shí)組織在結(jié)構(gòu)上和功能上相似的人工組織需要以下幾個基本條件：
（1）細(xì)胞
（2）支架矩陣組織
（3）培養(yǎng)基和生長因子
和（4）的機(jī)械刺激。這些條件彼此相互影響，并且相互之間共同來促進(jìn)形成能夠承受生物機(jī)械力的，且結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的組織。而在人工組成形成的過程中，這些細(xì)胞按照發(fā)育途徑形成具有一定幾何形狀的細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)。其中一些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑參與了細(xì)胞外基質(zhì)組合物的形成。這些途徑中，有些是由細(xì)胞基質(zhì)的機(jī)械變形調(diào)節(jié)，并通過膜結(jié)合蛋白，如整合素，粘著斑復(fù)合體，細(xì)胞粘附分子和離子通道傳遞到細(xì)胞內(nèi)。這些途徑中細(xì)胞還可以響應(yīng)配體，如細(xì)胞基質(zhì)形變所釋放的細(xì)胞因子，**或生長因子等。
為了維持肌肉骨骼組織的完整性和強(qiáng)度，組織內(nèi)細(xì)胞需要保持一定水平的內(nèi)在應(yīng)力。如果缺乏這種內(nèi)在的應(yīng)力，組織會缺少強(qiáng)度導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞或者組織的斷裂。目前一般認(rèn)為如果在固定四肢，臥床休息或在內(nèi)在應(yīng)力水平的降低的情況下，將導(dǎo)致骨中礦物質(zhì)流失，骨組織萎縮，骨骼弱化，以及合成代謝活性的降低和分解代謝活性的增加。
為了在體外培養(yǎng)與原生組織類似的人工組織，*重要的就是能夠創(chuàng)建模擬體內(nèi)條件的環(huán)境。細(xì)胞在具有機(jī)械運(yùn)動作用的環(huán)境中培養(yǎng)，可以促進(jìn)細(xì)胞的新陳代謝，并可以改變細(xì)胞的形狀和其它性能。因此，在體外形成過程中建立和保持一個具備機(jī)械作用的環(huán)境（即張力，剪切力或壓縮）就成為這一過程中至關(guān)重要的。除了具備機(jī)械作用的環(huán)境，在三維環(huán)境下培養(yǎng)細(xì)胞可以比靜態(tài)二維培養(yǎng)法更好地模擬原生環(huán)境。
組織基質(zhì)的尺寸和形狀也將直接影響組織內(nèi)細(xì)胞的類型、大小、排列方向以及組織基質(zhì)內(nèi)生理作用力分布。組織內(nèi)的組成也會取決于組織所受的作用力的類型。基于解剖學(xué)一些組織所處的位置，某些組織受到了拉伸力和壓縮力，并且形成了多種組織成分。比如跟腱的中部（拉伸力存在）是由致密的纖維結(jié)締組織組成，而肌腱壓靠跟骨區(qū)域（其中壓縮力存在）是由纖維軟骨組織組成。組織的形狀也與其所處具體位置所產(chǎn)生的功能或者功能的喪失相關(guān)。比如連接骨骼的跟腱位于跟骨交界處，而在這個位置上的跟腱也容易斷裂，其原因就在于其厚度*小。因此，特別需要對組織的原生形狀進(jìn)行體外模擬，以研究其失效機(jī)理以及相關(guān)組織**機(jī)制。FLEXCELL的Tissue Train ?培養(yǎng)體系的開發(fā)，就是為了解決這一組織培養(yǎng)過程中的難題，這個培養(yǎng)體系通過為細(xì)胞和基質(zhì)提供三維支架矩陣組織、動態(tài)的拉伸力和多種幾何模型來創(chuàng)建不同形狀的生物人工組織（如線性，梯形和圓形）。
FLEXCELL的Tissue Train 培養(yǎng)體系是一個獨(dú)立的三維培養(yǎng)系統(tǒng)，它允許研究者在基質(zhì)凝膠中創(chuàng)建用于細(xì)胞培養(yǎng)的三維幾何形狀，或使細(xì)胞構(gòu)建自組裝矩陣，連接到錨定器在Tissue Train 培養(yǎng)板。 FLEXCELL目前擁有模具和/或板，用于創(chuàng)建三個不同形狀的水凝膠：線性，梯形和圓形。該Tissue Train ?系統(tǒng)可用來自心臟，肌肉骨骼，皮膚，肺，胃腸道，骨髓和脂肪組織等的細(xì)胞創(chuàng)建生物人工構(gòu)建體，（參見Flexcell文獻(xiàn)庫，看看研究人員目前如何使用該系統(tǒng)）。
圖1說明了使用Tissue Train培養(yǎng)系統(tǒng)創(chuàng)建一個線性的生物人工組織（BAT）。 簡言之，Tissue Train培養(yǎng)板頂上設(shè)置一個槽式Loader，使用施加真空的FX-5000張力系統(tǒng)拉動培養(yǎng)板的柔性底橡膠膜向下進(jìn)入線性槽。用移液管把細(xì)胞和凝膠基質(zhì)懸浮液分注到兩個錨之間的槽式莖。聚合后，真空經(jīng)由錨釋放和線性的水凝膠或生物人工組織，已經(jīng)建立了附著到培養(yǎng)板上的莖在東部和西部*點(diǎn)。
該系統(tǒng)以水凝膠為細(xì)胞外基質(zhì)支架，水凝膠支架液態(tài)時包裹細(xì)胞，固態(tài)時形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，細(xì)胞粘附力強(qiáng),良好水分、養(yǎng)分交換，同時又可以逼真模擬體內(nèi)細(xì)胞組織力學(xué)環(huán)境.
工作原理:
1.以立體三維基質(zhì)水凝膠為支架，細(xì)胞在培養(yǎng)過程中胞外基質(zhì)不斷產(chǎn)生，并互相連接，形成組織
2.三維基質(zhì)水凝膠提高組織形成所需要的水分、營養(yǎng)和提供細(xì)胞連接的空間.
3.在三維作用力刺激下，模擬細(xì)胞生長所需的生長環(huán)境。構(gòu)建的三維組織可塑性高，便于后期分析基因表達(dá)和組織結(jié)構(gòu)。
4.利用天然的細(xì)胞間相互作用來驅(qū)動三維結(jié)構(gòu)的形成。此方法科學(xué)，對干細(xì)胞誘導(dǎo)、再生醫(yī)學(xué)、**開發(fā)等利用三維細(xì)胞培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)室都可以應(yīng)用
5.flexsan組織形成壓力動力測試系統(tǒng)可以自動記錄組織形成過程中壓實(shí)力過程，自動繪制測量三維人工組織的壓實(shí)力曲線。
圖1:Tissue Train培養(yǎng)系統(tǒng)創(chuàng)建生物人工組織
該FX-5000張力系統(tǒng)提供研究者一個不斷增長的生物人工組織的具有調(diào)控單軸或等雙軸應(yīng)力應(yīng)變工具。用戶可以在一個方案，定義了一個頻率，伸長率和應(yīng)變的持續(xù)時間，模擬在體內(nèi)天然組織的應(yīng)變環(huán)境（見進(jìn)一步的信息細(xì)胞的三維培養(yǎng)施加機(jī)械負(fù)載）
另外，該細(xì)胞將自己重塑細(xì)胞外基質(zhì)隨著時間的推移（圖2）。這個重塑的一個措施是膠壓實(shí)隨著時間的推移。 SCANFLEX是一個自動化的圖像采集系統(tǒng)，允許用戶定期掃描放置在掃描儀床上物品。該SCANFLEX軟件控制的數(shù)字掃描儀，并允許用戶次數(shù)和時間間隔進(jìn)行編程時，數(shù)字掃描拍攝。當(dāng)結(jié)合Tissue Train培養(yǎng)板結(jié)合使用時，SCANFLEX可用于確定在生物人工組織的面積的變化。此外，BAT的區(qū)域可以使用XyFlex圖像分析軟件來測量。 XyFlex?軟件允許用戶自動測量BAT區(qū)域中的圖像的一個大的序列。
圖2：生物人工組織膠壓實(shí)矢量圖像
典型應(yīng)用案例：
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系統(tǒng)功能及優(yōu)勢總結(jié)：
1.該系統(tǒng)對生長在三維狀態(tài)下的細(xì)胞及組織進(jìn)行單軸向或者雙軸向的靜態(tài)或者周期性的應(yīng)力加載實(shí)驗(yàn)，可智能、精準(zhǔn)誘導(dǎo)來自各種細(xì)胞、組織在拉應(yīng)力作用下發(fā)生的生化生理變化，專業(yè)、細(xì)膩的闡釋了體外細(xì)胞、組織機(jī)械力刺激加載、力學(xué)信號感受和響應(yīng)機(jī)制。對研究細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)及功能，細(xì)胞的生長、發(fā)育、成熟、增殖、衰老、凋亡、死亡及癌變以及通路表達(dá)，細(xì)胞信號傳導(dǎo)及基因表達(dá)的調(diào)控，細(xì)胞的分化及其調(diào)控機(jī)理具有重要意義；
2.該系統(tǒng)的計算機(jī)控制系統(tǒng)，為體外培育的細(xì)胞提供**的，可控制的，可重復(fù)的，靜態(tài)的或者周期性的應(yīng)力變化；
3.該系統(tǒng)可感應(yīng)、加載各種細(xì)胞、組織在應(yīng)力刺激下的生物化學(xué)反應(yīng)，例如：骨骼細(xì)胞，肺細(xì)胞，心肌細(xì)胞，血細(xì)胞，皮膚細(xì)胞，肌腱細(xì)胞，韌帶細(xì)胞，軟骨細(xì)胞和骨細(xì)胞；
4.該系統(tǒng)特制的顯微附屬設(shè)備，在細(xì)胞及組織加力刺激培養(yǎng)的同時，實(shí)時觀察細(xì)胞組織在力刺激下的反應(yīng)；
5.該系統(tǒng)使用Flexcell程序，可建立特制的各種模擬實(shí)驗(yàn)：心率模擬實(shí)驗(yàn)，步行模擬實(shí)驗(yàn)，跑動模擬實(shí)驗(yàn)和其他運(yùn)動力模擬實(shí)驗(yàn)；
6.該系統(tǒng)可在體外模擬仿真體內(nèi)各種細(xì)胞組織力刺激的靜態(tài)波形、正旋波形、心動波形、三角波形、矩形波形、各種特制波形；
7.該系統(tǒng)可使用種子細(xì)胞構(gòu)建長度達(dá)35mm的生物人工組織，并可在體外模擬仿真體內(nèi)力學(xué)環(huán)境進(jìn)行培養(yǎng)測試組織力屬性；
8.真正意義上的三維培養(yǎng)—該系統(tǒng)以水凝膠為細(xì)胞外基質(zhì)支架，水凝膠支架液態(tài)時包裹細(xì)胞，固態(tài)時形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，細(xì)胞粘附力強(qiáng),良好水分、養(yǎng)分交換，同時又可以逼真模擬體內(nèi)細(xì)胞組織力學(xué)環(huán)境；
9.三維組織培養(yǎng)模具和三維細(xì)胞培養(yǎng)板類型豐富，具有親水氨基酸、膠原（I型或IV）、彈性蛋白、ProNectin（RGD）包被表面、層粘連蛋白（YIGSR）包被表面，細(xì)胞粘附能力強(qiáng)。科研者根據(jù)自己的細(xì)胞組織，有針對性的選擇適合包被表面三維培養(yǎng)板；
10.特制梯形三維培養(yǎng)模具，可以逼真進(jìn)行三維肌腱培養(yǎng).
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