高度分化的心肌細(xì)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(xì)胞供應(yīng)不足而受到限制。借助再生醫(yī)學(xué)是近年來生成大量心肌細(xì)胞的常用手段。一般是將人多能干細(xì)胞（hPSCs）置于標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)箱的常氧條件下培養(yǎng)，誘導(dǎo)其向心肌細(xì)胞方向生長和分化，但結(jié)果并不是特別理想。
 
那么，如何才能得到大量優(yōu)質(zhì)的心肌細(xì)胞呢？
 

 
研究人員在心肌細(xì)胞增值實(shí)驗中，同時使用了標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)箱和可以控制氧氣濃度和壓力水平的AVATAR系統(tǒng)，得到了意想不到的效果。
 
研究人員使用標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)箱和AVATAR系統(tǒng)，將細(xì)胞群分為三組：常氧常壓（標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)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(diào)壓力確實(shí)對細(xì)胞的生長產(chǎn)生了影響。接著，研究人員進(jìn)一步評估了心肌細(xì)胞生成的效率。
 
 
 
對于晚期心肌細(xì)胞成熟，AVATAR系統(tǒng)通過對壓力的精細(xì)調(diào)控可以看到在鈣松弛動力學(xué)和收縮參數(shù)方面顯示出明顯的改善，從而提高了晚期細(xì)胞的健康和活力。
 

 

在過去多年的時間里，有許多研究者在探索哪些重要的微環(huán)境因素，對于維持或改變細(xì)胞狀態(tài)有較重要的決定意義。他們研究發(fā)現(xiàn)，微環(huán)境中的氧氣濃度與壓力水平變化，對于細(xì)胞的形態(tài)、基因和蛋白表達(dá)水平，甚至表型功能都起到關(guān)鍵的調(diào)控作用。因此，如能借由控制氧氣濃度與壓力水平創(chuàng)造適宜的細(xì)胞微環(huán)境，將能精準(zhǔn)控制細(xì)胞狀態(tài)與功能表達(dá)，這種技術(shù)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(huán)境中，氧氣和壓力具有明顯的生理效應(yīng)，并且都發(fā)揮著重要且獨(dú)立的作用。人體中的組織長期處于缺氧和加壓狀態(tài)。與典型CO₂培養(yǎng)箱中的環(huán)境相比，人體中的組織的氧氣水平低得多，并且不同的組織和器官類型所受的間質(zhì)流體壓力也不同。在缺氧和加壓培養(yǎng)條件下，細(xì)胞形態(tài)、基因和蛋白質(zhì)表達(dá)發(fā)生變化。在細(xì)胞培養(yǎng)過程中，大氣壓力的調(diào)控時刻影響著細(xì)胞功能的生物學(xué)特征，并對細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和代謝產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
 

Figure 5:Modulation of pressure & oxygen has profound effects on cell homeostasis
 
現(xiàn)有細(xì)胞培養(yǎng)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(nèi)細(xì)胞往往處于低氧高壓環(huán)境。錯誤的培養(yǎng)環(huán)境，往往會產(chǎn)生有偏差、甚至錯誤的結(jié)果。
 

Figure 6：AVATAR System
 
AVATAR個體化細(xì)胞控制系統(tǒng)可以自由控制氧氣含量和壓力強(qiáng)度，結(jié)合Xcell Biosciences公司開發(fā)的方法，可以針對不同的細(xì)胞，模擬出它們在體內(nèi)不同部位所處的微環(huán)境，接近真實(shí)的環(huán)境可幫助您獲得科學(xué)的結(jié)果、開發(fā)出有效的藥物，并大幅減少優(yōu)化時間與成本花費(fèi)。
 
 

Figure 7：AVATAR System
 
1.創(chuàng)造低氧高壓條件，模擬體內(nèi)微環(huán)境
自由控制氧氣含量和壓力強(qiáng)度，為所研究的細(xì)胞創(chuàng)造符合其在體內(nèi)的微環(huán)境。
 
2.縮小體外與體內(nèi)細(xì)胞實(shí)驗結(jié)果間的差異
模擬細(xì)胞在體內(nèi)的微環(huán)境，因此細(xì)胞的狀態(tài)也就更加真實(shí)，實(shí)驗結(jié)果和體內(nèi)實(shí)驗相當(dāng)。
 
3.有效精準(zhǔn)控制細(xì)胞狀態(tài)
除了可模擬體內(nèi)微環(huán)境外，更可借由參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化，控制細(xì)胞的狀態(tài)與命運(yùn)（如維持干細(xì)胞干性表征、定向誘導(dǎo)干細(xì)胞分化、提高基因編輯與轉(zhuǎn)染的效率等），相較傳統(tǒng)方式能更有效的提高反應(yīng)效果，不僅可縮短時效，更可減低實(shí)驗過程中所需成本花費(fèi)。
 
4.多通道且獨(dú)立的設(shè)計和便捷的可升級性
研究者可根據(jù)需求選擇多臺獨(dú)立腔體疊加放置，同時設(shè)置不同的環(huán)境條件。研究者可以橫跨不同的生理理狀態(tài)去評估細(xì)胞的基因與功能，或根據(jù)需求，采取多參數(shù)設(shè)置模式快速獲得更佳的生長條件，大幅減少優(yōu)化時間與成本花費(fèi)。
 
5.空間占用小
可靈活地放置于任何常規(guī)環(huán)境，也可放置于特定空間，如超凈工作臺等，適合特殊應(yīng)用需求，如病毒或病原相關(guān)研究。
 
6. 顯著降低運(yùn)行成本
設(shè)備配置精密感應(yīng)器與氣體控制部件，因此可較傳統(tǒng)培養(yǎng)裝置降低≥90%的⽓體消耗。
 
 
   

01 為研究者提供高質(zhì)量的患者反應(yīng)數(shù)據(jù)

 
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(kuò)增免疫細(xì)胞，更可借由條件的設(shè)置達(dá)到免疫細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞共培養(yǎng)的目的，因此可以獲得與體內(nèi)實(shí)驗吻合的科學(xué)數(shù)據(jù)。CAR-T 免疫殺傷腫瘤細(xì)胞實(shí)驗，左圖在為在常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)CO₂培養(yǎng)箱培養(yǎng)，結(jié)果顯示某CAR-T產(chǎn)品對腫瘤細(xì)胞的殺傷效果很好，30分鐘內(nèi)即可見顯著效果；但是后期的動物實(shí)驗表明，該CAR-T產(chǎn)品在動物體內(nèi)沒有療效，這導(dǎo)致該CAR-T開發(fā)陷入歧途。而將細(xì)胞置于AVATAR模擬的體內(nèi)低氧高壓的微環(huán)境中培養(yǎng)得到的結(jié)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(jié)果與體內(nèi)實(shí)驗結(jié)果吻合。
 
 
02 高質(zhì)量擴(kuò)增免疫T細(xì)胞
 
 

Figure 9：T-cell Expansion in AVATA Without the Need for Bead Activation
 
利用AVATAR快速擴(kuò)增未分化的免疫細(xì)胞。在常規(guī)環(huán)境下，T細(xì)胞體外增殖需要CD3/CD28的刺激（灰色曲線），但這會導(dǎo)致T細(xì)胞分化，多能性降低。而將細(xì)胞置于AVATAR模擬的低氧高壓的微環(huán)境中培養(yǎng)，T細(xì)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(xì)胞的多能性。
 
 
03 促進(jìn)多能干細(xì)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(xì)胞干性。干細(xì)胞研究中，利用傳統(tǒng)方法維持細(xì)胞的干性相當(dāng)困難，AVATAR系統(tǒng)解決了這一難題。絕大多數(shù)基因的表達(dá)受到氧氣與壓力的調(diào)控，如Figure10顯示，維持細(xì)胞干性相關(guān)的三個基因Nanog，Oct4，和Sox2在AVATAR低氧高壓的環(huán)境下，相比常規(guī)環(huán)境表達(dá)量更高，從而可以很好地維持細(xì)胞的干性，確保其不分化。
 
 
04 類器官培養(yǎng)
 
類器官的研究對于發(fā)育生物學(xué)、疾病病理學(xué)、免疫腫瘤學(xué)、精準(zhǔn)治療等研究領(lǐng)域相當(dāng)重要。細(xì)胞研究過程中最常面臨幾個問題，包括干細(xì)胞的重編程效率、培養(yǎng)過程中干性的維持與定向誘導(dǎo)分化的控制與效率。通過常規(guī)的方法，很難在體外培養(yǎng)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(xiàn)與數(shù)據(jù)支持借由低氧、高壓等條件的設(shè)置，能大大提升培養(yǎng)合適類器官的效率，同時較一般培養(yǎng)方式展現(xiàn)出更強(qiáng)大的干細(xì)胞特性，甚至通過對不同參數(shù)的優(yōu)化，能夠促進(jìn)定向分化并獲得更多且具功能性的細(xì)胞球或類器官，極大地縮短了構(gòu)建PDX模型的時間。因此，能夠自由控制氧氣含量和壓力強(qiáng)度的AVATAR系統(tǒng)，是您培養(yǎng)2D或3D的懸浮類器官或貼壁類器官的理想選擇。
 
  

 
AVATAR可以應(yīng)用于原代細(xì)胞培養(yǎng)、藥物篩選、免疫細(xì)胞體外增殖、PDX模型和類器官形成、循環(huán)腫瘤細(xì)胞的捕獲和增殖、提高基因編輯的效率、胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的干性維持和定向誘導(dǎo)分化。
 

 
目前AVATAR已在多個國際知名研究機(jī)構(gòu)與醫(yī)藥企業(yè)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(yī)藥、京都大學(xué)iPS細(xì)胞研究所、加州大學(xué)舊金山分校(UCSF)Helen Diller Family癌癥綜合中心等。