乾芸仪器,专注于细胞培养！ |
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乾芸仪器,专注于细胞培养！ |
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一、技术背景介绍
1990年，Kleis等人首先研制了一种生物反应器，随后美国国家航空与宇宙航行局（NASA）对此进行改进研制了RWVB并应用到组织培养领域。RWVB是由两个同心圆柱体构成的旋转装置。将细胞与培养液置入内、外圆柱体之间,整个装置绕纵轴旋转,根据细胞的种类、性质、数量、培养物的大小调节容器的旋转速度,使培养物长时间保持悬浮状态。它是一种完全充满液体的生物反应器,以水平方向为轴作旋转运动,这种培养环境形成湍流较少、剪切力低，物质传递效率高，并有丰富的供氧。国内外大量的实验结果表明,采用RWVB可以模拟产生微重力条件下的生物效应,可以作为模拟微重力生物效应的有效手段。其模拟微重力理论建立在无重力影响以及和失重相似的假说的基础上，三维旋转模拟微重力通过持续在三维空间改变重力矢量，使细胞没有足够时间对这种变化作出反应，这也叫做重力矢量叠加技术。
旋转细胞培养系统（RCCS）是一种实验室中对于贴壁依赖细胞或悬浮细胞培养的新技术。该系统使研究人员能够培养出多种高密度的细胞。同时在其他培养方法下不容易生长、培养的细胞在RCCS也可以更容易地进行培养。可以在RCCS中实现模拟母体组织的结构和功能的分化3D聚集体的共培养物的生长。 该系统提供了可重复的复杂3D体外培养系统, 用于研究控制正常组织分化和肿瘤组织转化的结构过程和调节分子。通常在科学期刊中的一些文章习惯使“有机物” 一词来描述在RCCS中生长的3维分化组织模型或扩大的外科手术植入体。
在约翰逊航天中心开发的该三维培养系统最初设计用于在航天飞行期间保护微妙的组织培养。然而, 由于该系统提供的低剪切力、高质量传递和模拟微重力的独特环境很快变得具有异常明显的优势, 可以在常规实验室组织培养箱中进行3D细胞生长。
该系统两种最原始类型的RCCS培养容器由SYNTHECON制造。它们是STLV和HARV, 低剪切力培养容器（STLV）是管状的并且具有中轴气体传输核心, 被设计主要用于贴壁细胞培养。高弦比容器（HARV）具有盘形培养室, 其中氧合膜位于培养容器内壁。HARV被设计主要用于悬浮细胞培养。 然而, 很多实验表明, 它也是贴壁细胞和组织外植体的优良培养容器。
二、技术原理介绍
旋转细胞培养系统是具有氧合膜的水平旋转的、无气泡的培养容器。内外部气体通过氧合膜相互扩散实现交换。培养液、细胞和细胞聚集体颗粒随容器一起旋转, 在适当转速时可不接触培养容器壁或任何其他有害物体。从而使得培养容器内破坏性剪切力最小化（因为该系统没有叶轮、气流、气泡或搅拌器）。该没有破坏性的应力允许大尺寸聚集大的细胞块。
正常的细胞,人类细胞, 贴壁依赖和悬浮细胞、肿瘤细胞以及脆弱的单或共培养物通过传统的培养方法都已经实现了体外培养。而微重力旋转细胞培养系统RCCS作为新型的培养技术其主要优点之一是生长于其中的细胞分化或模拟结构的组织培养物能够继承双亲细胞的遗传物质。因为破坏性的湍流和碰撞力在水平旋转细胞培养系统中是最小的，使得研究者可以用相同的细胞混合物接种培养，这些细胞生长并组织成类似于母体组织的三维组织聚集体。手术外植体或活组织检查可以转入RCCS培养系统以维持不坏死。
微重力旋转细胞培养系统（RCCS）使得科学家与标准组织培养实验室能够生产出非常复杂的、具明显特征的组织样结构。同时，需要连续监测细胞培养的用户可以很容易地在很短的时间间隔实施采样而不破坏培养活动。此外，因添加其他类型细胞、化疗药物、营养物质、化学品或其它的测试品进入培养液，而由此对被培养的细胞带来的影响将很容易被观察到。在收获培养后的细胞时，只需要松开螺丝，取下前端盖，即可将培养后的细胞倾倒出来，无需使用刮刀或任何脱模工具，避免了对培养后的细胞的损伤。
三、三维培养优点
传统静态细胞培养是在培养瓶或皿中进行的。无论是细胞或组织均生长在二维平面空间并接触玻璃或塑料表面。这样的方式会影响细胞中基因的表达且无法持续生长及分化。同时平面培养的细胞还会生“去分化”(dedifferentiation)现象，使培养的细胞逐渐失去其来源组织的许多生理特征。而大部分动态培养系统中，细胞或组织是有物理的外力而悬浮的，有许多包括液态剪切力在内的因素会导致细胞及组织损伤。
RCCS 是一种颠覆传统的三度空间微重力培养系统。其利用培养盘或培养管柱进行培养，将培养液、细胞或组织一起加入培养盘或培养管柱中，并去除所有气泡。培养盘或培养管柱安装于具旋转马达之基座上，内部组织、细胞或细胞团块因旋转切线力量及重力双重影响下而保持悬浮状态。旋转的目的是要让所有细胞均匀交换养分和气体，并且细胞和细胞之间可有足够的接触，有利于细胞聚集。
另外，不论是培养盘或培养管柱背侧均具备硅胶制成的换气膜以利进行气体交换，使细胞/ 组织得到充分氧气及排除代谢后的废气。生长其中的细胞或组织是以自由落体的状态悬浮，没有搅拌器、气泡等破坏性压力，故组织在培养液中得以自由降落、翻转并与培养液充分混合，其容器内各方向的力量达到平衡，所以细胞/ 组织不会受到单一方向的力量影响，可朝任意方向均匀生长，是市面上唯一可使细胞自由生长分化，增加细胞增殖速率，减少细胞死亡和有效增加细胞产物分泌的系统。
相比其他的三维细胞培养系统，Synthecon Inc.的RCCS系统可以克服长期困扰三维细胞培养的内生(ingrowth)不足的限制，从而可以真正用来培养工程组织(engineered tissue),使之用于药物、医学研究及再生医学、细胞疗法。RCCS 将细胞研究带入更多元化、更进一步的领域，应用范围十分广泛，无论在学术研究或临床研究上都有相当的应用价值。无论是培养人体组织以进行治疗药物的研究，或是培养替代的组织，进行再生医学及细胞治疗，例如肝脏、皮肤、骨髓、软骨、心肌、肺或其他组织等，均提供了最佳的研究系统。RCCS模拟微重力环境具有如下特点:
1、低剪切力对细胞无机械性损伤，它是通过固体旋转匹配微载体和培养液的浓度来实现的；
2、富含氧而不引起涡流，物流转移率高。气体渗透膜则提供了被动的气体交换,它为适宜的生长环境提供了气体,防止了湍动引起的气泡、气室；
3、随机化的重力向量可能直接影响基因表达,或间接促进细胞自分泌/ 旁分泌,有利于细胞间信号转导 ；
4、细胞有一定程度的自由三维空间,有利于细胞—细胞、细胞—基质间按组织学特性相互接触,有利于细胞分化,且不易形成坏死中心；
5、微重力在组织培养时还具有高保真度的优点。