2021.08.30

高度分化的心肌細胞幾乎沒有增殖能力，從使得在心臟損傷或疾病的治療及研究中常因心肌細胞供應不足而受到限製。借助再生醫學是近年來生成大量心肌細胞的常用手段。一般是將人多能幹細胞（hPSCs）置於標準培養箱的常氧條件下培養，誘導其向心肌細胞方向生長和分化，但結果並不是特別理想。

那麽，如何才能得到大量優質的心肌細胞呢？

研究人員在心肌細胞增值實驗中，同時使用了標準培養箱和可以控製氧氣濃度和壓力水平的AVATAR系統，得到了意想不到的效果。

研究人員使用標準培養箱和AVATAR系統，將細胞群分為三組：常氧常壓（標準培養箱），5%O2和0 PSI（AVATAR），5%O2和2 PSI（AVATAR），從Figure 1可以觀測到保持氧氣恒定和微調壓力確實對細胞的生長產生了影響。接著，研究人員進一步評估了心肌細胞生成的效率。

結果展示

對於晚期心肌細胞成熟，AVATAR系統通過對壓力的精細調控可以看到在鈣松弛動力學和收縮參數方面顯示出明顯的改善，從而提高了晚期細胞的健康和活力。

每種細胞都有屬於自己的微環境

在過去多年的時間裏，有許多研究者在探索哪些重要的微環境因素，對於維持或改變細胞狀態有較重要的決定意義。他們研究發現，微環境中的氧氣濃度與壓力水平變化，對於細胞的形態、基因和蛋白表達水平，甚至表型功能都起到關鍵的調控作用。因此，如能借由控製氧氣濃度與壓力水平創造適宜的細胞微環境，將能精準控製細胞狀態與功能表達，這種技術也將提供給研究者非常重要的價值。

Figure 4：the human microenvironment is hypoxic and pressurized

在人體微環境中，氧氣和壓力具有明顯的生理效應，並且都發揮著重要且獨立的作用。人體中的組織長期處於缺氧和加壓狀態。與典型CO2培養箱中的環境相比，人體中的組織的氧氣水平低得多，並且不同的組織和器官類型所受的間質流體壓力也不同。在缺氧和加壓培養條件下，細胞形態、基因和蛋白質表達發生變化。在細胞培養過程中，大氣壓力的調控時刻影響著細胞功能的生物學特征，並對細胞內穩態和代謝產生深遠影響。

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

現有細胞培養箱的條件都是20%氧氣、5%二氧化碳、幾乎沒有額外的壓力，但是動物和人體內細胞往往處於低氧高壓環境。錯誤的培養環境，往往會產生有偏差、甚至錯誤的結果。

Figure 6：AVATAR System

AVATAR個體化細胞控製系統可以自由控製氧氣含量和壓力強度，結合Xcell Biosciences公司開發的方法，可以針對不同的細胞，模擬出它們在體內不同部位所處的微環境，接近真實的環境可幫助您獲得科學的結果、開發出有效的藥物，並大幅減少優化時間與成本花費。

AVATAR 技術優勢

Figure 7：AVATAR System

1.創造低氧高壓條件，模擬體內微環境

自由控製氧氣含量和壓力強度，為所研究的細胞創造符合其在體內的微環境。

2.縮小體外與體內細胞實驗結果間的差異

模擬細胞在體內的微環境，因此細胞的狀態也就更加真實，實驗結果和體內實驗相當。

3.有效精準控製細胞狀態

除了可模擬體內微環境外，更可借由參數的調整與優化，控製細胞的狀態與命運（如維持幹細胞幹性表征、定向誘導幹細胞分化、提高基因編輯與轉染的效率等），相較傳統方式能更有效的提高反應效果，不僅可縮短時效，更可減低實驗過程中所需成本花費。

4.多通道且獨立的設計和便捷的可升級性

研究者可根據需求選擇多臺獨立腔體疊加放置，同時設置不同的環境條件。研究者可以橫跨不同的生理理狀態去評估細胞的基因與功能，或根據需求，采取多參數設置模式快速獲得更佳的生長條件，大幅減少優化時間與成本花費。

5.空間占用小

可靈活地放置於任何常規環境，也可放置於特定空間，如超凈工作臺等，適合特殊應用需求，如病毒或病原相關研究。

6. 顯著降低運行成本

設備配置精密感應器與氣體控製部件，因此可較傳統培養裝置降低≥90%的⽓體消耗。

AVATAR 客戶案例

01 為研究者提供高質量的患者反應數據

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不僅可有效擴增免疫細胞，更可借由條件的設置達到免疫細胞與腫瘤細胞共培養的目的，因此可以獲得與體內實驗吻合的科學數據。CAR-T 免疫殺傷腫瘤細胞實驗，左圖在為在常規標準CO2培養箱培養，結果顯示某CAR-T產品對腫瘤細胞的殺傷效果很好，30分鐘內即可見顯著效果；但是後期的動物實驗表明，該CAR-T產品在動物體內沒有療效，這導致該CAR-T開發陷入歧途。而將細胞置於AVATAR模擬的體內低氧高壓的微環境中培養得到的結果顯示，該CAR-T沒有作用，即使8小時也未見殺傷效果，這個結果與體內實驗結果吻合。

02 高質量擴增免疫T細胞

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

利用AVATAR快速擴增未分化的免疫細胞。在常規環境下，T細胞體外增殖需要CD3/CD28的刺激（灰色曲線），但這會導致T細胞分化，多能性降低。而將細胞置於AVATAR模擬的低氧高壓的微環境中培養，T細胞不需要刺激即可在體外增殖，而且速度更快（紅色曲線），且保留T細胞的多能性。

03 促進多能幹細胞重編程

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

利用AVATAR保留細胞幹性。幹細胞研究中，利用傳統方法維持細胞的幹性相當困難，AVATAR系統解決了這一難題。絕大多數基因的表達受到氧氣與壓力的調控，如Figure10顯示，維持細胞幹性相關的三個基因Nanog，Oct4，和Sox2在AVATAR低氧高壓的環境下，相比常規環境表達量更高，從而可以很好地維持細胞的幹性，確保其不分化。

04 類器官培養

類器官的研究對於發育生物學、疾病病理學、免疫腫瘤學、精準治療等研究領域相當重要。細胞研究過程中最常面臨幾個問題，包括幹細胞的重編程效率、培養過程中幹性的維持與定向誘導分化的控製與效率。通過常規的方法，很難在體外培養出所需合適的類器官。

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

已有許多文獻與數據支持借由低氧、高壓等條件的設置，能大大提升培養合適類器官的效率，同時較一般培養方式展現出更強大的幹細胞特性，甚至通過對不同參數的優化，能夠促進定向分化並獲得更多且具功能性的細胞球或類器官，極大地縮短了構建PDX模型的時間。因此，能夠自由控製氧氣含量和壓力強度的AVATAR系統，是您培養2D或3D的懸浮類器官或貼壁類器官的理想選擇。

AVATAR 應用方向

AVATAR可以應用於原代細胞培養、藥物篩選、免疫細胞體外增殖、PDX模型和類器官形成、循環腫瘤細胞的捕獲和增殖、提高基因編輯的效率、胚胎幹細胞和誘導多能幹細胞的幹性維持和定向誘導分化。

目前AVATAR已在多個國際知名研究機構與醫藥企業投入使用，包括倫敦癌癥研究所、英國劍橋癌癥研究所、拜耳醫藥、京都大學iPS細胞研究所、加州大學舊金山分校(UCSF)Helen Diller Family癌癥綜合中心等。