生命科學(xué)儀器: 微生物細(xì)胞培養(yǎng)儀器芯片

北京基爾比Kirkstall 細(xì)胞自動(dòng)灌流系統(tǒng)，顯著促進(jìn)腎臟類器官血管化與成熟

時(shí)間：2026/7/21閱讀：58

1. 血管嚴(yán)重缺失，無功能性可灌注血管網(wǎng)絡(luò)，只能依賴動(dòng)物移植

靜態(tài)培養(yǎng)腎臟類器官幾乎無成熟血管：僅零星 PECAM1 + 內(nèi)皮標(biāo)記，無中空管腔、無周細(xì)胞（PDGFRβ）包裹，不存在可灌注血管腔。

行業(yè)舊方案：必須移植到小鼠腎包膜下，依靠宿主動(dòng)物血管浸潤實(shí)現(xiàn)成熟，但存在批次不可控、倫理限制、種屬差異、無法體外實(shí)時(shí)觀測、無法高通量藥物篩選、無法長期動(dòng)態(tài)追蹤發(fā)育六大硬傷；

靜態(tài)培養(yǎng)無法自主形成血管，所有腎小球、腎小管成熟度被血管缺失鎖死，發(fā)育停留在孕早期胎兒腎臟階段，不適合成人腎臟生理、腎病、腎毒性藥物研究。

2. 腎小管上皮細(xì)胞未成熟，極性、纖毛、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白全面低表達(dá)，模型無生理參考價(jià)值

靜態(tài)類器官腎小管存在嚴(yán)重發(fā)育停滯：上皮極性缺失，刷狀緣標(biāo)志物 LTL 富集度極低；

初級(jí)纖毛細(xì)胞占比不足，多囊腎相關(guān)纖毛基因（PKD1/PKD2/NPHP 系列）表達(dá)顯著下調(diào)；腎臟功能核心轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 AQP1、SLC34A1、ATP1A1、LRP2、藥物轉(zhuǎn)運(yùn)體 ABCB1 表達(dá)僅為灌流組 1/3~1/5；

成人腎臟成熟轉(zhuǎn)錄因子 BNC2、NPAS2、TRPS1 幾乎不表達(dá)，細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組匹配人類孕早期腎臟，無法模擬成人腎功能、藥物重吸收、腎病損傷模型。

3. 腎小球無血管侵入，足突結(jié)構(gòu)發(fā)育殘缺，無法模擬腎小球?yàn)V過功能

靜態(tài)培養(yǎng)下＞80% 腎小球（PODXL + 足細(xì)胞團(tuán)）僅被血管淺層包裹，無毛細(xì)血管侵入：缺少體內(nèi)腎臟發(fā)育關(guān)鍵階段：S 型小體→毛細(xì)血管袢→早期腎小體完整發(fā)育流程；

足細(xì)胞成熟標(biāo)志 nephrin（NPHS1）、synaptopodin（SYNPO）、成熟轉(zhuǎn)錄因子 CASZ1 表達(dá)極低；電鏡下無交錯(cuò)嵌合足突結(jié)構(gòu)，無法模擬蛋白尿、腎小球損傷、藥物腎毒性（如阿霉素腎損傷）病理表型。

4. 靜態(tài)培養(yǎng)微環(huán)境不穩(wěn)定，代謝廢物堆積、營養(yǎng)擴(kuò)散不足，類器官內(nèi)部壞死、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性極差

靜態(tài)培養(yǎng)僅靠被動(dòng)擴(kuò)散供氧供營養(yǎng)，三維類器官中心缺氧壞死；頻繁手動(dòng)換液引發(fā) pH、滲透壓、生長因子劇烈波動(dòng)，批次差異巨大，無法開展長周期（＞10 天）分化實(shí)驗(yàn)，發(fā)育過程不可控。

（二）動(dòng)態(tài)灌流培養(yǎng)系統(tǒng)：四大科研增益

采用可控流體剪切力微流控灌流芯片系統(tǒng)，僅通過持續(xù)動(dòng)態(tài)灌流，無需動(dòng)物、無需外源共培養(yǎng)內(nèi)皮細(xì)胞，從根源解決全部靜態(tài)痛點(diǎn)，所有結(jié)果均經(jīng)過定量熒光、qPCR、電鏡、流式數(shù)據(jù)支撐：

1. 自主誘導(dǎo)內(nèi)源性血管生成，形成帶周細(xì)胞、可灌注的完整三維血管網(wǎng)絡(luò)

流體剪切力顯著擴(kuò)增血管內(nèi)皮祖細(xì)胞（KDR+EPC）：高灌流組內(nèi)皮祖細(xì)胞占細(xì)胞總數(shù) 11.2%，靜態(tài)僅 4.25%；

血管密度爆發(fā)式提升：血管面積提升 5 倍、分支密度提升 10 倍、平均血管長度提升 10 倍，PECAM1 內(nèi)皮基因轉(zhuǎn)錄上調(diào) 5 倍；

形成中空可灌注血管腔：熒光微球可隨培養(yǎng)基灌入血管內(nèi)部，血管外壁包裹 PDGFRβ+ 周細(xì)胞，模擬體內(nèi)成熟血管結(jié)構(gòu)；

類器官間自發(fā)血管連通，支持多類器官串聯(lián)共培養(yǎng)，模擬體內(nèi)組織間微循環(huán)交換。

2. 腎小管全面成熟，構(gòu)建接近成人腎臟的功能性上皮模型，大幅提升藥物篩選可靠性

細(xì)胞極性顯著增強(qiáng)，刷狀緣完整，初級(jí)纖毛細(xì)胞數(shù)量提升近一倍；全部腎臟轉(zhuǎn)運(yùn)、纖毛、成熟轉(zhuǎn)錄基因顯著上調(diào)，完整復(fù)刻近端小管重吸收、離子轉(zhuǎn)運(yùn)功能；

血管與腎小管緊密貼合：血管接觸小管表面積提升 3 倍，小管到血管平均距離縮短 70%，復(fù)刻體內(nèi)血管 - 腎小管信號(hào)互作；

內(nèi)源 VEGF 梯度穩(wěn)定維持，保障血管定向向腎小管、腎小球生長，人為破壞梯度后成熟度直接退回靜態(tài)水平，證明流體是維持生理信號(hào)梯度的核心條件。

3. 腎小球完整復(fù)刻體內(nèi)胚胎發(fā)育全過程，形成具備成熟足突的功能性腎小球

＞60% 腎小球團(tuán)出現(xiàn)毛細(xì)血管侵入（靜態(tài)僅 10%-20%），完整重現(xiàn)哺乳動(dòng)物腎臟體內(nèi)發(fā)育三步：S 型小體→毛細(xì)血管袢→早期腎小體；

電鏡下可見足細(xì)胞交錯(cuò)嵌合足突結(jié)構(gòu)，足細(xì)胞功能蛋白 NPHS1、SYNPO、成熟轉(zhuǎn)錄因子 CASZ1 大幅上調(diào)；

可體外獨(dú)立構(gòu)建腎小球血管化模型，無需動(dòng)物移植，直接用于腎小球疾病、腎毒性藥物（化療藥、靶向藥）損傷機(jī)制研究；原文作者用阿霉素處理后，足突融合表型與人類腎病一致，模型保真度大幅提升。

4. 標(biāo)準(zhǔn)化可控流體微環(huán)境，實(shí)驗(yàn)可重復(fù)、支持長周期無人值守培養(yǎng)

精準(zhǔn)調(diào)控流體剪切力區(qū)間（0.008–0.035 dyn/cm2），區(qū)分高低流場，可自由模擬不同生理力學(xué)刺激；封閉循環(huán)灌流持續(xù)供給新鮮培養(yǎng)基、帶走代謝廢物，無手動(dòng)換液擾動(dòng)，pH、生長因子、氧濃度長期穩(wěn)定；

無需外源添加內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)，僅依靠自身 hPSC 內(nèi)源細(xì)胞完成血管分化，簡化實(shí)驗(yàn)流程、降低變量干擾；

兼容高通量小型類器官，單芯片可同時(shí)培養(yǎng) 4-20 個(gè)類器官，可規(guī)模化分化、批量開展藥物梯度篩選實(shí)驗(yàn)。

（三）Kirkstall Quasi Vivo 串聯(lián)式多細(xì)胞 / 器官自動(dòng)灌流培養(yǎng)系統(tǒng)

1. 核心技術(shù)背景

Kirkstall 由 Wilkinson 博士團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)十余年年微流控仿生技術(shù)研發(fā)，推出Quasi Vivo® 串聯(lián)動(dòng)態(tài)灌流培養(yǎng)平臺(tái)，是全球類器官、器官芯片領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化商用動(dòng)態(tài)灌流系統(tǒng)，大量用于腎臟、肝臟、神經(jīng)、腫瘤類器官頂刊研究，國內(nèi) 301 醫(yī)院、國外倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）、藥企研發(fā)中心均落地使用，匹配流體誘導(dǎo)類器官成熟的實(shí)驗(yàn)需求。

2. 核心硬件架構(gòu)（串聯(lián)式設(shè)計(jì)核心優(yōu)勢）

串聯(lián)式多腔室模塊化芯片：可自由拼接 2~12 個(gè)獨(dú)立培養(yǎng)腔串聯(lián)連通，實(shí)現(xiàn)多器官 / 多批次類器官共培養(yǎng)，培養(yǎng)基循環(huán)流經(jīng)所有腔室，模擬人體全身血液循環(huán)物質(zhì)交換；單腔可放置凝膠基質(zhì)（ gelbrin 明膠 - 纖維蛋白 ECM），適配腎臟類器官貼壁三維培養(yǎng)；

精準(zhǔn)低剪切力流體控制泵：流速區(qū)間 0.04μL/min~5mL/min 連續(xù)可調(diào)，精準(zhǔn)復(fù)刻腎臟類器官0.008–0.035 dyn/cm2 生理流體剪切力，層流柔和無氣泡沖擊，不會(huì)損傷脆弱干細(xì)胞源類器官；支持閉環(huán)循環(huán)培養(yǎng)，培養(yǎng)基自動(dòng)循環(huán)，2-3 天僅需簡易補(bǔ)料，實(shí)現(xiàn)長期無人值守；

全透明光學(xué)成像基底：芯片上下均為高透光光學(xué)窗口，無需取出樣本，直接置于共聚焦、倒置顯微鏡下實(shí)時(shí)活細(xì)胞成像，完整記錄血管生成、足突發(fā)育動(dòng)態(tài)過程，匹配文中全組織免疫熒光、活體微球灌注成像實(shí)驗(yàn)；

生物兼容封閉循環(huán)管路：低吸附醫(yī)用級(jí)硅膠管路，無細(xì)胞毒性，避免生長因子吸附損耗，維持內(nèi)源 VEGF 等細(xì)胞因子穩(wěn)定梯度，復(fù)現(xiàn)文獻(xiàn)中血管定向生長的核心條件。

3. 適配腎臟類器官研究的專屬優(yōu)勢

（1）仿生 ECM 兼容，復(fù)刻文獻(xiàn)凝膠基質(zhì)培養(yǎng)條件

芯片腔室可直接鋪鑄 1mm 厚明膠 - 纖維蛋白（gelbrin）復(fù)合細(xì)胞外基質(zhì)，和原文實(shí)驗(yàn)體系一致，基質(zhì)粘附性提升內(nèi)皮祖細(xì)胞富集，解決玻璃、塑料培養(yǎng)基底血管發(fā)育差的問題。

（2）低損傷流場，保護(hù)未成熟腎臟類器官

系統(tǒng)采用緩沖流道設(shè)計(jì)，消除局部高剪切力，培養(yǎng)前期可超低流速（40μL/min）預(yù)培養(yǎng)，讓類器官牢固粘附 ECM 后再提升流速，避免剛分化的管狀聚集體脫落破碎，大幅提升實(shí)驗(yàn)存活率。

（3）內(nèi)源血管誘導(dǎo)，無需外源細(xì)胞共培養(yǎng)

僅依靠可控流體力學(xué)刺激，即可擴(kuò)增 hPSC 來源 KDR + 內(nèi)皮祖細(xì)胞，自主形成帶 PDGFRβ 周細(xì)胞的可灌注血管網(wǎng)絡(luò)，和原文實(shí)驗(yàn)方案統(tǒng)一，不用額外鋪 HUVEC、成纖維細(xì)胞，簡化實(shí)驗(yàn)流程、減少變量干擾。

（4）VEGF 梯度穩(wěn)定可控，保障腎小管 - 血管互作

封閉循環(huán)低流速體系不會(huì)快速稀釋類器官內(nèi)源分泌 VEGF，維持空間濃度梯度，保證血管定向侵入腎小球、貼合腎小管；可靈活添加 VEGF 抑制劑 / 外源 VEGF，復(fù)刻文中梯度調(diào)控對(duì)照實(shí)驗(yàn)，機(jī)制研究更便捷。

（5）高通量平行對(duì)照，大幅縮短實(shí)驗(yàn)周期

單套系統(tǒng)可同時(shí)串聯(lián)多組芯片，同步設(shè)置靜態(tài)、低流、高流、VEGF 干預(yù)對(duì)照組，統(tǒng)一培養(yǎng)環(huán)境，消除批次誤差，一次實(shí)驗(yàn)完成原文全部梯度驗(yàn)證，數(shù)據(jù)重復(fù)性顯著提升。

4. 全場景應(yīng)用范圍（不止腎臟類器官）

發(fā)育生物學(xué)：腎臟、肝臟、神經(jīng)、腸道類器官體內(nèi)復(fù)刻式發(fā)育研究；

疾病建模：多囊腎、腎小球損傷、腫瘤血管生成、神經(jīng)退行性疾病體外模型；

藥物研發(fā)與毒理：小分子、化療藥、靶向藥腎毒性 / 肝毒性評(píng)價(jià)，多器官串聯(lián) ADME 代謝模擬；

再生醫(yī)學(xué)：干細(xì)胞類器官血管化、組織工程三維組織構(gòu)建；

個(gè)性化醫(yī)療：患者 iPSC 源類器官動(dòng)態(tài)藥敏篩選。

5. 對(duì)比自制微流控芯片的不可替代優(yōu)勢

標(biāo)準(zhǔn)化量產(chǎn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)可重復(fù)：3D 打印自制芯片流場、腔室尺寸批次差異極大，流體剪切力無法精準(zhǔn)定量，文章審稿極易質(zhì)疑數(shù)據(jù)可靠性；Kirkstall QV芯片統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，流體參數(shù)可量化記錄，數(shù)據(jù)符合頂刊實(shí)驗(yàn)規(guī)范；

操作門檻極低，無需微加工背景：自制芯片需要 3D 打印、硅模、等離子處理、無菌封合等復(fù)雜工藝，耗時(shí)耗力；Kirkstall QV 芯片開箱即用，無菌獨(dú)立包裝，科研人員可直接上手培養(yǎng)；

長期穩(wěn)定封閉培養(yǎng)，污染風(fēng)險(xiǎn)極低：自制裝置密封性差，長期灌流極易漏液、污染；Kirkstall QV整套閉環(huán)管路無菌密封，適配 CO?培養(yǎng)箱 21 天以上連續(xù)分化；

配套完整實(shí)驗(yàn)方案：肝臟類器官標(biāo)準(zhǔn)化灌流培養(yǎng) SOP，直接對(duì)標(biāo)Nature Methods 成熟實(shí)驗(yàn)體系，省去大量條件摸索時(shí)間。

6. 總結(jié)

北京基爾比Kirkstall QV串聯(lián)式多細(xì)胞動(dòng)態(tài)灌流系統(tǒng)，是適配前沿腎臟類器官研究的標(biāo)準(zhǔn)化商用設(shè)備，一次性解決靜態(tài)培養(yǎng)血管缺失、組織不成熟、模型保真度低、依賴動(dòng)物實(shí)驗(yàn)四大痛點(diǎn)；

串聯(lián)多腔設(shè)計(jì)同時(shí)支持單器官深度機(jī)制研究與多器官互作前沿課題，無論是基礎(chǔ)發(fā)育、疾病模型還是藥企藥物篩選，均能大幅提升實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出質(zhì)量與文章競爭力，是開展血管化成熟類器官研究的核心設(shè)備。

附：

北京基爾比生物科技公司主營產(chǎn)品：

AnimFree 體外類器官氣溶膠暴露裝置

Kirkstall 3D細(xì)胞類器官串聯(lián)式自動(dòng)灌流系統(tǒng)，

BiomimX uBeat®多功能動(dòng)態(tài)器官芯片系統(tǒng)

Kilby Gravity 微重力旋轉(zhuǎn)細(xì)胞類器官培養(yǎng)系統(tǒng)RCCS，

動(dòng)植物/微生物等地面重力環(huán)境模擬裝置【可以定制】，

Kilby Bio 高通量類器官精密搖擺儀