Microfluidic technology: New opportunities to develop physiologically relevant in vitro models

微流控技術：開發生理相關性體外模型的新機遇

來源：47th European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC) Proceedings, IEEE, 2017, pp.260 - 263

《第 47 屆歐洲固態器件研究會議論文集》，IEEE（電氣和電子工程師協會），2017 年，第 260-263 頁

 

摘要：

這篇論文報告了一個集成傳感平臺的開發，用于輔助生殖技術領域，特別是哺乳動物胚胎的植入前培養和原位表征。平臺包括一個納升培養室，集成了氧傳感器，用于監測單個胚胎的呼吸活動，作為胚胎活力和發育能力的標志。研究首先討論了微流體技術實現這種集成平臺的關鍵優勢，然后介紹了培養設備及其在小鼠胚胎上的驗證。驗證顯示微流體支持單個小鼠胚胎的全程發育，出生率與常規組培養相當。設備隨后升級用于人類胚胎培養，并在捐贈的凍融胚胎上測試。最后，描述了由超微電極陣列組成的氧傳感器，集成到培養設備中，并提出了短時間尺度的新測量方法以減少電化學測量中的氧消耗。當前工作聚焦于傳感器在平臺中的集成和生物材料驗證。

 

研究目的：

研究目的是開發一個集成微流體平臺，用于單個哺乳動物胚胎的體外培養和原位表征，以改進輔助生殖技術。具體目標是驗證微流體培養對胚胎發育的支持能力，并集成傳感器監測胚胎代謝活動，從而非侵入性地評估胚胎活力。

 

研究思路：

研究思路分為幾個步驟：首先，利用微流體技術設計一個納升培養室，用于單個胚胎的培養，并驗證其在小鼠模型上的效果，包括預植入發育和全程發育。其次，升級設備用于人類胚胎培養，測試其可行性。同時，開發一個電化學氧傳感器，基于超微電極陣列，用于監測胚胎呼吸活動，并引入短時間測量方法以最小化氧消耗。最后，將傳感器集成到微流體平臺中，先用腫瘤球體作為胚胎替代物進行驗證，再應用于小鼠胚胎。

 

測量的數據及研究意義：

1. 小鼠胚胎的囊胚形成率：通過比較微流體培養（30 nL和270 nL chamber）與常規液滴培養（5 μL），測量了不同組大小（1、5、20個胚胎）的囊胚率。數據顯示微流體培養的囊胚率超過90%，而液滴培養為30-75%，表明微流體尤其支持單個胚胎發育。這些數據來自圖2。研究意義：證實微流體培養能顯著提高胚胎預植入發育率，特別是在單個胚胎水平，提示密閉環境有利于生長因子積累，促進發育。

 

2. 小鼠胚胎的出生率：測量了微流體培養與液滴培養的全程發育出生率，顯示總體出生率相似（約30%），但單個胚胎培養中，微流體設備出生率更高（>30% vs 20%），且培養體積越小出生率越高。這些數據來自圖3。研究意義：表明微流體密閉條件不僅改善預植入發育，還支持全程發育，強調 confinement 對創建胚胎 niche 的重要性，有利于生長因子濃度維持。

 

 

3. 人類胚胎發育率：在捐贈的凍融人類胚胎上測試微流體培養，測量了24、28、48和72小時后的囊胚形成率，顯示微流體與液滴培養相似，無顯著優勢。這些數據來自圖4。研究意義：提示微流體對人類胚胎培養可行，但優勢可能因胚胎已過關鍵發育階段而減弱，強調需要早期干預。

 

4. 氧傳感器校準數據：使用丹麥Unisense電極作為參考，校準超微電極陣列傳感器，測量溶解氧濃度與傳感器響應的線性關系，靈敏度為0.49 nA·s^{-0.5}·L·mg^{-1}。這些數據來自圖6。研究意義：驗證傳感器準確性和新測量方法的有效性，確保低氧消耗（5 ms脈沖僅消耗63 fmol氧），為胚胎監測提供可靠工具。

 

 

結論：

論文得出結論：微流體平臺能有效支持單個哺乳動物胚胎的培養，小鼠實驗中顯示高發育率和出生率，人類胚胎培養也可行。集成氧傳感器通過短時間測量方法最小化干擾，有望用于胚胎代謝監測。整體上，該集成平臺為輔助生殖技術提供了非侵入性、實時監測的解決方案，具有轉化潛力。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義在于提供了高精度的參考標準，用于校準超微電極陣列傳感器。在傳感器開發中，Unisense電極作為外部傳感器，同步測量溶解氧濃度，驗證了UMEA傳感器的線性響應和靈敏度（圖6）。這種校準確保傳感器數據的準確性，從而可靠地監測胚胎呼吸活動。意義在于：Unisense電極的使用強化了傳感器驗證的可靠性，使新開發的短時間測量方法（脈沖<5 ms）能最小化氧消耗（僅63 fmol），避免對胚胎微環境造成擾動。這為胚胎代謝監測提供了非侵入性工具，支持在ART中實時評估胚胎活力，提高胚胎選擇準確性。最終，這種集成方法有望優化體外培養條件，提升臨床成功率。