缺少持续灌流意味着类器官可在体外存活的时间大幅缩短

一、类器官培养中缺少连续灌流的影响

类器官（organoid）是在体外由干细胞或原代细胞自组装形成的三维微小组织结构，其培养的核心难点在于如何在体外维持一个类似体内的微环境。传统静态培养（即类器官悬浮或包埋于基质胶中，通过定期手动更换培养基）操作简便，是目前最常用的方法，但当缺少连续灌流时，会引发一系列严重的负面效应，主要体现在以下几个方面

1. 扩散限制导致的营养与氧气匮乏

三维类器官的尺寸通常在数百微米甚至毫米级。在静态培养体系中，营养物质（如葡萄糖、氨基酸）和氧气的输送完全依赖被动扩散。研究表明，当类器官直径超过300–500 微米时，核心区域的细胞会因供氧不足陷入缺氧状态，营养物质无法有效渗透到类器官中心。这意味着，即使培养基中营养充足，类器官中心区域仍会处于"饥饿"状态，这直接限制了类器官的生长尺寸、结构复杂性和成熟度。

在静态条件下，营养扩散深度极为有限。有研究显示，72小时内静态培养中营养扩散深度未超过10mm，距表面6mm以上的区域细胞存活率就已显著下降，接近坏死水平。对于类器官这种致密的三维细胞聚集体来说，扩散限制的影响更加突出。

2. 中心坏死核心的形成

营养匮乏和缺氧的直接后果是类器官核心区域的细胞大规模凋亡和坏死。由于静态培养没有流动的培养基将氧气带入深层，类器官内部会逐渐形成一个"坏死核心"（necrotic core）。具体过程为：外部细胞消耗大量氧气和营养物质，中心区域因扩散路径过长导致氧浓度和营养浓度骤降，细胞在低氧、低糖环境中启动凋亡程序，最终形成不可逆的坏死。

坏死核心的存在会带来一系列连锁反应：坏死细胞释放的胞内物质（如DNA、ATP、HMGB1等）可被周围活细胞通过模式识别受体识别，诱发无菌性炎症反应，进一步破坏类器官的微环境稳态。此外，坏死核心的存在使类器官对药物处理的反应不再代表整体组织的真实表型，严重干扰药物筛选实验的准确性和可重复性。

3. 代谢废物积累与微环境恶化

静态培养中，细胞代谢产生的废物（如乳酸、氨、活性氧等）无法被及时排出培养体系。乳酸积累会导致培养基pH值下降，偏离类器官生长的适宜pH范围（一般为7.2–7.4）；氨的累积具有细胞毒性，可直接损害线粒体功能和细胞膜完整性。

研究指出，静态培养中的代谢废物持续累积，是限制类器官存活周期的关键因素之一。连续灌流系统通过持续输送新鲜培养基并及时带走代谢废物，从根本上解决了这个"池塘死水"式的不良环境。研究表明，在持续灌流条件下，结直肠癌类器官的体外活性维持时间可从传统静态培养的14天延长至35天，提升约150%，这充分说明了代谢废物清除对于类器官长期培养的关键意义。

 

4. 生长停滞、功能分化受限

类器官的成功培养不仅要求细胞存活，更要求其正确分化和维持组织特异功能。缺少灌流意味着：（1）生长因子和信号分子在培养基中的分布不均匀，类器官各部位接收到的信号强度差异巨大，导致分化不均衡；（2）长期在静态条件下培养的类器官往往停留在"小而圆"的形态，无法发育出类似体内组织的复杂结构；（3）对于某些需要气-液界面分化的细胞（如呼吸道上皮细胞），静态培养无法提供有效的灌流支持，限制了其在气液界面的正确分化。

5. 长期培养周期缩短、实验数据可靠性下降

综合以上因素，缺少灌流意味着类器官可在体外存活的时间大幅缩短、功能完整性显著下降。传统静态培养通常只能维持类器官活性约2周左右，而灌流系统可将这一周期延长至数周甚至数月。对于需要长期观察的研究（如慢性疾病建模、耐药性演化追踪、长期毒性评价），静态培养根本无法满足实验需求。此外，坏死核心和代谢物积累的个体差异会使不同类器官批次之间产生巨大变异，严重影响实验的统计效能和可重复性。

 

二、Kirkstall 串联式多器官灌流系统（Quasi Vivo®）简介

Kirkstall Quasi Vivo® 系统是一种基于微流控技术的串联式多器官灌流培养系统，旨在通过动态流体环境模拟体内生理条件，突破传统静态培养和动物模型的局限性。

应用领域

多器官相互作用研究：模拟药物在不同器官间的代谢和转运过程

药物发现与毒性评价：在流动条件下评估候选药物的疗效和安全性

精准医学建模：患者来源类器官（PDO）的药物敏感性检测

疾病机制研究：如炎症、纤维化、肿瘤微环境等复杂疾病的多器官交互建模

再生医学研究：组织工程构建物的长期培养和成熟

 

 

 

三、小结

Kirkstall Quasi Vivo 串联式多器官灌流系统通过其模块化的芯片腔室设计、精准可控的蠕动灌流和灵活的串联布局，为类器官研究提供了一个可模拟多器官交互、接近体内生理条件的体外培养平台。该系统是器官芯片（organ-on-a-chip）和微生理系统（MPS）领域的重要代表性产品之一，在推动体外模型从"2D静态"向"3D动态多器官"方向转型中发挥着关键作用。

附：

北 京 基 尔 比 生物 科技公司 主营产品：

AnimFree 体外类器官气溶胶暴露装置

Kirkstall 3D细胞类器官串联式自动灌流系统，

BiomimX uBeat®多功能动态器官芯片系统

Kilby Gravity 微重力旋转细胞类器官培养系统RCCS，

动植物/微生物等地面重力环境模拟装置【可以定制】，

Kilby Bio 高通量类器官精密摇摆仪