类器官芯片串联培养系统Cellspace-3D是由赛奥维度（北京）生物科技有限公司研发的多参数动态调控平台，通过模拟微重力 / 超重力环境与仿生流体力学设计，实现类器官的高通量串联培养与多器官互作模拟。其核心价值在于突破传统静态培养的局限性，为肿瘤研究、药物开发及个性化医疗提供高生理相关性的三维模型。以下从技术架构、核心功能、应用场景及技术突破展开说明：
一、技术架构：微重力模拟与动态培养的深度整合
Cellspace-3D 通过双轴回转系统与微流控技术的结合，构建接近体内环境的培养体系：
1.微重力模拟模块
旋转壁容器（RWV）：通过水平旋转（5-30 rpm）动态平衡离心力与重力，使细胞处于 “自由悬浮” 状态，避免沉降堆积，促进三维聚集（如肿瘤球状体形成）。
随机定位仪（RPM）：通过 X、Y、Z 轴随机旋转（角度变化频率可调），分散重力矢量，模拟太空微重力（<0.01g），适用于短期信号传导研究。
磁悬浮技术：利用磁场抵消重力，实现无接触式培养，避免机械剪切力损伤，尤其适合脆弱类器官（如神经类器官）。
2.动态培养系统
微流控灌注模块：集成 3D 打印微通道，模拟体内营养梯度与代谢废物清除（如葡萄糖 / 乳酸浓度动态调节），支持长期培养（如血管化类器官可维持 2 周以上）。
多参数实时控制：可精准调节温度（37±0.1℃）、湿度（95%±2%）、气体浓度（O₂ 5-21%，CO₂ 5%），并通过拉曼光谱与电阻抗传感器监测细胞代谢活性。
串联培养扩展：支持 10 个 RWV 并联运行，总培养体积达 500 mL，满足工业级需求；通过微流道连接不同培养单元，实现多器官类器官的信号级联模拟（如肝 - 肠 - 肾串联模型）。
二、核心功能：从单器官到多系统的仿生模拟
1.三维结构重构与功能强化
无支架自组装：乳腺癌细胞在微重力下自发形成实体瘤样球状体，内部包含缺氧核心（HIF-1α 阳性区域）与活跃增殖边缘，药物渗透深度与患者肿瘤样本一致（IC₅₀相关性 R=0.89）。
细胞外基质（ECM）仿生：动态培养促进内源性 ECM（如胶原 I 型、层粘连蛋白）与外源性基质胶（Matrigel）的整合，形成类似体内的基底膜 - 间质梯度，增强类器官的力学稳定性（弹性模量提升 3 倍）。
2.多器官互作模拟
串联共培养：通过微流道连接肝脏类器官与肠道类器官，模拟药物代谢 - 吸收过程。例如，在肝毒性测试中，系统可实时监测肝细胞分泌的细胞因子（如 IL-6）对肠上皮屏障功能的影响。
机械信号整合：针对心肌类器官，系统可施加周期性拉伸应力（0.1-1 Hz），模拟心脏收缩，促进肌小节排列与钙信号同步化，使类器官的收缩力接近新生心肌组织（达 1.2 mN/mm²）。
3.高通量药物筛选
梯度浓度测试：微流控模块可生成药物浓度梯度（如化疗药物顺铂 0.1-10 μM），同时评估 12 个培养单元的响应，筛选效率是传统 Transwell 的 5 倍。
耐药性动态监测：在肺癌类器官中，通过实时电阻抗传感追踪细胞增殖，可提前 48 小时预测 EGFR 抑制剂耐药性的出现（准确率 92%）。
三、应用场景：从基础研究到临床转化
1.肿瘤研究
转移机制解析：在微重力下构建乳腺癌 - 淋巴结类器官串联模型，通过荧光标记追踪肿瘤细胞的淋巴管迁移路径，发现趋化因子 CXCL12 的梯度分布是转移的关键驱动因素。
纳米药物优化：利用动态培养的肿瘤球状体评估金纳米颗粒的渗透效率，优化粒径（20-50 nm）与表面修饰（PEG 化），使药物在肿瘤核心的富集量提升 3 倍。
2.神经科学
血脑屏障模拟：将脑类器官与内皮细胞共培养，通过微流控施加生理剪切力（0.5 dyn/cm²），诱导紧密连接蛋白（ZO-1）的表达，屏障通透性（Papp 值）降至 0.1×10⁻⁶ cm/s，接近体内水平。
神经退行性疾病建模：在阿尔茨海默病类器官中，微重力加剧 β- 淀粉样蛋白沉积与 tau 蛋白磷酸化，与患者脑组织的病理特征吻合度达 85%。
3.个性化医疗
患者来源类器官（PDO）药敏测试：针对结直肠癌患者，Cellspace-3D 可在 7 天内完成 12 种化疗方案的筛选，指导临床用药的准确率达 82%（传统 2D 培养仅 55%）。
器官毒性预测：通过肝 - 肾 - 心串联模型，评估新药对多器官的毒性级联效应，如他汀类药物引起的横纹肌溶解可通过心肌类器官的肌酸激酶释放提前预警。
四、技术突破与行业对比
1.与传统培养系统的差异
动态环境控制：相比静态水凝胶培养，Cellspace-3D 的微流控灌注使类器官代谢物清除效率提升 5 倍，避免酸性代谢产物积累导致的细胞凋亡。
重力效应模拟：传统旋转生物反应器仅能实现单轴旋转，而 Cellspace-3D 的双轴回转系统可精准模拟太空微重力（如 ISS 实验中肿瘤细胞的 EMT 基因表达模式）。
2.与国际同类产品的优势
串联扩展性：德国 TissUse 的 HUMIMIC 系统虽支持多器官共培养，但需依赖外部泵控系统，而 Cellspace-3D 的集成式微流控模块可实现全自动化串联（如 4 个器官芯片同步运行）。
成本效益：相比美国 Synthecon 的 RWV 系统（单价约 50 万元），Cellspace-3D 的预算单价为 19 万元，且兼容实验室常规培养瓶，耗材成本降低 60%。
五、未来趋势与挑战
1.技术融合方向
AI 驱动优化：结合机器学习算法（如随机森林），根据类器官形态参数（如球状体圆度、细胞密度）自动调整培养参数（如转速、氧浓度），使模型构建周期缩短 40%。
多模态成像整合：集成光片显微镜与近红外二区成像，实现类器官内部结构（如血管网络）与代谢状态（如 NADH 荧光）的实时三维重构。
2.临床转化瓶颈
标准化难题：不同实验室的类器官培养结果差异较大，需建立统一的质量控制标准（如类器官形成率 > 80%、基因表达稳定性 CV<15%）。
规模化成本：尽管单台设备成本较低，但高通量实验仍需多台设备并联，初期投入较高（如 10 台系统约 190 万元），限制中小型实验室的应用。
总结
Cellspace-3D 通过微重力模拟、动态流体调控与多器官串联设计，构建了高生理相关性的类器官培养平台，其核心价值在于将静态模型转化为动态系统，为生命科学研究提供更接近体内真实环境的实验工具。随着技术成本的降低与智能化程度的提升，该系统有望成为连接基础研究与临床应用的关键桥梁，推动精准医学与太空医学的突破性发展。
