细胞微环境精准控制，AVATAR让细胞在体外“不忘初心，牢记使命”

高度分化的心肌细胞几乎没有增殖能力，从使得在心脏损伤或疾病的治疗及研究中常因心肌细胞供应不足而受到限制。借助再生医学是近年来生成大量心肌细胞的常用手段。一般是将人多能干细胞（hPSCs）置于标准培养箱的常氧条件下培养，诱导其向心肌细胞方向生长和分化，但结果并不是特别理想。

那么，如何才能得到大量优质的心肌细胞呢？



研究人员在心肌细胞增值实验中，同时使用了标准培养箱和可以控制氧气浓度和压力水平的AVATAR系统，得到了意想不到的效果。

研究人员使用标准培养箱和AVATAR系统，将细胞群分为三组：常氧常压（标准培养箱），5%O₂和0 PSI（AVATAR），5%O₂和2 PSI（AVATAR），从Figure 1可以观测到保持氧气恒定和微调压力确实对细胞的生长产生了影响。接着，研究人员进一步评估了心肌细胞生成的效率。
 



在过去多年的时间里，有许多研究者在探索哪些重要的微环境因素，对于维持或改变细胞状态有较重要的决定意义。他们研究发现，微环境中的氧气浓度与压力水平变化，对于细胞的形态、基因和蛋白表达水平，甚至表型功能都起到关键的调控作用。因此，如能借由控制氧气浓度与压力水平创造适宜的细胞微环境，将能精准控制细胞状态与功能表达，这种技术也将提供给研究者非常重要的价值。


Figure 4：the human microenvironment is hypoxic and pressurized

在人体微环境中，氧气和压力具有明显的生理效应，并且都发挥着重要且独立的作用。人体中的组织长期处于缺氧和加压状态。与典型CO₂培养箱中的环境相比，人体中的组织的氧气水平低得多，并且不同的组织和器官类型所受的间质流体压力也不同。在缺氧和加压培养条件下，细胞形态、基因和蛋白质表达发生变化。在细胞培养过程中，大气压力的调控时刻影响着细胞功能的生物学特征，并对细胞内稳态和代谢产生深远影响。


Figure 5:Modulation of pressure & oxygen has profound effects on cell homeostasis

现有细胞培养箱的条件都是20%氧气、5%二氧化碳、几乎没有额外的压力，但是动物和人体内细胞往往处于低氧高压环境。错误的培养环境，往往会产生有偏差、甚至错误的结果。


Figure 6：AVATAR System

AVATAR个体化细胞控制系统可以自由控制氧气含量和压力强度，结合Xcell Biosciences公司开发的方法，可以针对不同的细胞，模拟出它们在体内不同部位所处的微环境，接近真实的环境可帮助您获得科学的结果、开发出有效的药物，并大幅减少优化时间与成本花费。

 




Figure 7：AVATAR System

1.创造低氧高压条件，模拟体内微环境
自由控制氧气含量和压力强度，为所研究的细胞创造符合其在体内的微环境。

2.缩小体外与体内细胞实验结果间的差异
模拟细胞在体内的微环境，因此细胞的状态也就更加真实，实验结果和体内实验相当。

3.有效精准控制细胞状态
除了可模拟体内微环境外，更可借由参数的调整与优化，控制细胞的状态与命运（如维持干细胞干性表征、定向诱导干细胞分化、提高基因编辑与转染的效率等），相较传统方式能更有效的提高反应效果，不仅可缩短时效，更可减低实验过程中所需成本花费。

4.多通道且独立的设计和便捷的可升级性
研究者可根据需求选择多台独立腔体叠加放置，同时设置不同的环境条件。研究者可以横跨不同的生理理状态去评估细胞的基因与功能，或根据需求，采取多参数设置模式快速获得更佳的生长条件，大幅减少优化时间与成本花费。

5.空间占用小
可灵活地放置于任何常规环境，也可放置于特定空间，如超净工作台等，适合特殊应用需求，如病毒或病原相关研究。

6. 显著降低运行成本
设备配置精密感应器与气体控制部件，因此可较传统培养装置降低≥90%的⽓体消耗。

 

01 为研究者提供高质量的患者反应数据


Figure 8：Live-cell imaging of CAR-T killing assay with primary tumor cells under time-lapse
Left:30 min time-lapse movie; standard CO2 incubator
Right:8 hour time-lapse movie; tumor microenvironment

AVATAR不仅可有效扩增免疫细胞，更可借由条件的设置达到免疫细胞与肿瘤细胞共培养的目的，因此可以获得与体内实验吻合的科学数据。CAR-T 免疫杀伤肿瘤细胞实验，左图在为在常规标准CO₂培养箱培养，结果显示某CAR-T产品对肿瘤细胞的杀伤效果很好，30分钟内即可见显著效果；但是后期的动物实验表明，该CAR-T产品在动物体内没有疗效，这导致该CAR-T开发陷入歧途。而将细胞置于AVATAR模拟的体内低氧高压的微环境中培养得到的结果显示，该CAR-T没有作用，即使8小时也未见杀伤效果，这个结果与体内实验结果吻合。


02 高质量扩增免疫T细胞



Figure 9：T-cell Expansion in AVATA Without the Need for Bead Activation

利用AVATAR快速扩增未分化的免疫细胞。在常规环境下，T细胞体外增殖需要CD3/CD28的刺激（灰色曲线），但这会导致T细胞分化，多能性降低。而将细胞置于AVATAR模拟的低氧高压的微环境中培养，T细胞不需要刺激即可在体外增殖，而且速度更快（红色曲线），且保留T细胞的多能性。

03 促进多能干细胞重编程


Figure 10：Tune AVATAR culture settings to promote ‘stemness’ by inducing expression of Nanog, Oct4, Sox2

利用AVATAR保留细胞干性。干细胞研究中，利用传统方法维持细胞的干性相当困难，AVATAR系统解决了这一难题。绝大多数基因的表达受到氧气与压力的调控，如Figure10显示，维持细胞干性相关的三个基因Nanog，Oct4，和Sox2在AVATAR低氧高压的环境下，相比常规环境表达量更高，从而可以很好地维持细胞的干性，确保其不分化。


04 类器官培养
类器官的研究对于发育生物学、疾病病理学、免疫肿瘤学、精准治疗等研究领域相当重要。细胞研究过程中最常面临几个问题，包括干细胞的重编程效率、培养过程中干性的维持与定向诱导分化的控制与效率。通过常规的方法，很难在体外培养出所需合适的类器官。


Figure 11：Prostate tumor organoids after 2 weeks in culture using the AVATAR System

已有许多文献与数据支持借由低氧、高压等条件的设置，能大大提升培养合适类器官的效率，同时较一般培养方式展现出更强大的干细胞特性，甚至通过对不同参数的优化，能够促进定向分化并获得更多且具功能性的细胞球或类器官，极大地缩短了构建PDX模型的时间。因此，能够自由控制氧气含量和压力强度的AVATAR系统，是您培养2D或3D的悬浮类器官或贴壁类器官的理想选择。

 


AVATAR可以应用于原代细胞培养、药物筛选、免疫细胞体外增殖、PDX模型和类器官形成、循环肿瘤细胞的捕获和增殖、提高基因编辑的效率、胚胎干细胞和诱导多能干细胞的干性维持和定向诱导分化。



目前AVATAR已在多个国际知名研究机构与医药企业投入使用，包括伦敦癌症研究所、英国剑桥癌症研究所、拜耳医药、京都大学iPS细胞研究所、加州大学旧金山分校(UCSF)Helen Diller Family癌症综合中心等。