在生物医药领域，类器官作为疾病建模、药物筛选和再生医学的重要工具，正迎来从实验室走向产业化应用的关键阶段。随着 FDA 和 NIH 对类器官模型在药物筛选和毒性测试中应用的认可度提高，解决困扰科学家已久的标准化、规模化、可重复培养已成为行业迫切需求。
美谷分子（Molecular Devices）紧跟技术前沿，推出针对体外模型尤其是类器官高效培养与质控的 CellXpress.ai 解决方案，利用机器学习自主管理换液、铺板、传代、类器官生长质控、终点检测和复杂图像分析，助力用户实现：
产业化实绩：成功案例分享
iPSC 诱导的类器官因其来源丰富、可个性化制备及伦理优势，成为产业焦点。
近年来，脑类器官培养方案取得了显著进展，确立了这些模型在药物发现、疾病建模和个性化医疗中的重要工具地位。但是脑类器官转化为药物开发工具仍然面临挑战，重现性差、方案复杂且劳动密集，严重阻碍了下游应用的扩展。CellXpress.ai 系统已被成功验证可用于 iPSC 诱导的脑类器官的大规模培养和功能检测。本研究重点描述了使用 CellXpress.ai 系统，创新性引入振荡式培养，从人 iPSC 自动诱导分化成前脑和中脑类器官的工作流程，包括 iPSC 维持和复杂脑类器官的分化及成熟。
图 1：CellXpress.ai 系统支持人 iPSC 和脑类器官的培养
对于脑类器官的生成，起始材料的质量非常重要，需要高质量的干细胞来生成高质量的脑类器官。通过使用 CellXpress.ai 系统，我们能够维持人 iPSC 细胞多次传代至 100 天以上。通过细胞数量和汇合度的持续增加可以观察到干细胞克隆的持续生长，IN Carta 图像分析软件采用深度学习进行克隆分割，用于检测健康细胞（图 2C）和分化细胞（图 2D）。
图 2：干细胞自动化培养
CellXpress.ai 系统软件具有多个程序，可根据需要进行组合，比如定期的换液、成像、接种和传代。对于脑类器官的成熟，保持类器官运动状态至关重要，因为这些类器官“非常饥饿”，需要持续的营养和氧气流动。由此我们引入了自动化振荡培养，成功分化出了批量前脑类器官，并且这些类器官表现出特征性结构，例如在第 10 天左右开始出芽（图 3E）。自动化的引入也为脑类器官的培养节省约 90% 的人力时间。
图 3：人 iPSC 分化为前脑类器官
使用 Calcium 6 检测试剂盒和 ImageXpress HT.ai 高内涵系统的流模式功能测定脑类器官的钙信号，结果显示生成了具有功能活性的脑类器官（图 4A–F）。
图 4：人 iPSC 诱导分化成脑类器官
同样，使用 CellXpress.ai 振荡培养系统，我们建立了自动化中脑类器官生成的工作流程（图 5A）。高内涵 ImageXpress HT.ai 系统的中脑特异性荧光标志物成像结果也显示了形态学和表型特征。从类器官的四个不同区域选择单个神经元钙活动追踪，证明了整个中脑类器官的功能性（图 5E）。
图 5：CellXpress.ai 系统上利用 iPSC 诱导分化生成中脑类器官
原代组织来源的类器官——基于人工智能的健康人肠道类器官化合物毒性筛选
抗癌药物对肠道细胞的损害是化疗最常见且限制剂量的副作用之一，往往制约治疗效果。本研究中基于 HUB 授权的肠道类器官培养 protocol，成功构建了一个人类肠道类器官的化合物毒性自动化评估平台。该平台采用 CellXpress.ai 和高内涵 ImageXpress HCS.ai，实现了人类肠道类器官培养、化合物添加及染色流程的全自动化。在化合物测试中，类器官暴露于八种已知具有肠道毒性的药物中进行评估。
图 6：人肠道类器官（HIOs）药物筛选全自动工作流程：使用 CellXpress.ai 系统将类器官接种至 96 孔 U 底板，每 24 小时通过透射光成像进行监测，第 2 天添加抗癌化合物处理。接种后第 5 天采用 ImageXpress HCS.ai 系统进行活细胞成像（终点分析通过 IN Carta 软件进行人工智能驱动的表型分析）
图 7：CellXpress.ai 监测示例：展示在 96 孔 U 型底板中培养的人肠道类器官，通过明场显微镜（TL）进行成像
图 8：利用 ImageXpress HCS.ai 高内涵系统检测化合物处理 72 小时后的类器官表型响应
多细胞共培养的细胞球——人源 iPSC 衍生的 3D 三细胞共培养心脏细胞球的自动化培养及功能分析
利用人诱导多能干细胞（iPSC）衍生细胞类型构建人体组织模型，是一种有望加速药物开发与安全性/毒性评估的新策略。通过将 iPSC 衍生心肌细胞（CM）、iPSC 衍生内皮细胞（EC）和 iPSC 衍生心脏成纤维细胞（CF）共培养成心脏细胞球模型，利用 CellXpress.ai 完成细胞球形成与维持的全流程自动化，在化合物效应评估与心脏毒性早期检测方面展现出显著应用潜力。
图 9：CellXpress.ai 系统运行实例。(A) 显示系统在 384 孔板中进行培养基更换操作。 (B) iPSC 衍生的 3D 三细胞共培养心脏球体在 96 孔板中的明场图像。(C) 通过自定义模块编辑器（CME）实现 3D 培养过程中的自动分割与量化分析
图 10：（A）使用 CellXpress.ai 系统对用 Calcium 6 染料染色的用于 FLIPR 检测的心脏微组织进行成像。（B）展示经细胞活性染料（包括 Hoechst（蓝色）、Calcein AM（绿色）和 EtHD（红色））染色的细胞最佳焦距投影图像（10 倍）。用心脏毒性化合物处理细胞，包括 100 μM 多柔比星和 10 μM 星形孢菌素。图像分析评估了不同荧光基团的细胞球面积和平均强度。细胞活性可通过活细胞/死细胞平均荧光强度的标准化比值来呈现
图 11：使用 3D 细胞球进行钙检测。用各种化合物处理 3D 心脏细胞球后测得的钙振荡（浓度单位 μM）。使用 FLIPR Penta 系统通过动力学钙成像记录 Ca2+ 波形，并使用 Peak Pro 2 软件进行分析。 添加指定化合物后，代表性轨迹显示其产生的波形模式与对照信号有很大不同。针对不同的化合物和浓度，对峰值频率、振幅、峰值延长和其他测量值进行了评估
结 语
在类器官产业化这条路上，选择经过验证的解决方案远比追逐概念更重要。CellXpress.ai 用数十家用户的实践成果，证明了 AI 支持的类器官自动化培养技术真正落地应用的可行性。
CellXpress.ai 体外模型智能化工厂
关于美谷分子仪器
Molecular Devices 始创于上世纪 80 年代美国硅谷，并在全球设有多个代表处和子公司。2005 年，Molecular Devices 在上海设立了中国代表处，2010 年加入全球科学与技术的创新者丹纳赫集团，2011 年正式成立商务公司：美谷分子仪器 (上海) 有限公司。Molecular Devices 以持续创新、快速高效、高性能的产品及完善的售后服务著称业内，我们一直致力于为客户提供在生命科学研究、制药及生物治疗开发等领域蛋白和细胞生物学的创新性生物分析解决方案。
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