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體外3D培養(yǎng)方法介紹
- 作者: 基爾比生物科技
- 來源: 公眾號(hào)“基爾比”
- 日期 : 2024-02-13
動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)始于 90 年代初在青蛙凝固的淋巴液中培養(yǎng)來自蝌蚪耳蝸的神經(jīng)元成纖維細(xì)胞，在體外構(gòu)建類似于體內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞外底物（支架）為細(xì)胞生長提供空間。此后，隨著增殖重現(xiàn)性好的細(xì)胞培養(yǎng)基和儀器設(shè)備的開發(fā)，動(dòng)物細(xì)胞可以在體外穩(wěn)定培養(yǎng)。目前動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)物已廣泛用于生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)中，用于發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)生理活性物質(zhì)、開發(fā)疾病模型、毒性分析和藥物開發(fā)。
3D細(xì)胞培養(yǎng)模型是指在體外人工合成類似于體內(nèi)的環(huán)境，使細(xì)胞在各個(gè)維度上生長并與周圍環(huán)境相互作用的細(xì)胞培養(yǎng)模型。由于細(xì)胞是在類似于人體的環(huán)境中通過3D培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)的，因此它們顯示出與人體細(xì)胞和器官相似的特征。圖1為2014年奧地利格里菲斯大學(xué)發(fā)表在《生物國際雜志》上的 3D 細(xì)胞培養(yǎng)模型。在由ECM組成的 3D 空間中，營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣和藥物通過濃度梯度擴(kuò)散和滲透給細(xì)胞，以提供生物學(xué)上相似的環(huán)境。細(xì)胞間和/或細(xì)胞與ECM間相互作用以及通過細(xì)胞分泌物擴(kuò)散產(chǎn)生的旁分泌信號(hào)傳導(dǎo)是傳統(tǒng) 2D 細(xì)胞培養(yǎng)模型不具備的。因此，隨著生物技術(shù)的進(jìn)步，3D細(xì)胞培養(yǎng)模型有望成為研究人體生理學(xué)和疾病優(yōu)選的高效的生物技術(shù)平臺(tái)。
3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)在彌合傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)方法和動(dòng)物模型之間的差距方面很有前景。3D細(xì)胞培養(yǎng)模型可分為球狀體和類器官模型。球狀體和類器官是通過聚集許多細(xì)胞形成的 3D結(jié)構(gòu)。根據(jù)細(xì)胞起源、類型和 3D 中實(shí)現(xiàn)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，球狀體和類器官可以作如下區(qū)分：球狀體只是將細(xì)胞聚集成 3D 結(jié)構(gòu)，但類器官具有自我分化能力，結(jié)構(gòu)和功能與人體器官相似。目前3D 細(xì)胞培養(yǎng)模型、類器官和球狀體等術(shù)語可以通用。
實(shí)現(xiàn) 3D 細(xì)胞培養(yǎng)模型的方法尚未標(biāo)準(zhǔn)化。3D細(xì)胞培養(yǎng)模型可以使用無支架方法和支架方法開發(fā)，允許細(xì)胞在沒有ECM或有ECM空間中培養(yǎng)細(xì)胞（圖3）。無支架方法根據(jù)用于收集細(xì)胞的方法分為四種類型包括靜態(tài)懸浮培養(yǎng)、旋轉(zhuǎn)/旋轉(zhuǎn)室培養(yǎng)、納米圖案孔培養(yǎng)和磁懸浮培養(yǎng)。支架方法可以分為各種類型，具體取決于所使用的人造聚合物，例如固體支架或水凝膠作為ECM。在結(jié)構(gòu)上，它們分為孔、微通道和微柱類型，具體取決于 ECM 的位置。
1. 用戶友好性：3D細(xì)胞培養(yǎng)模型必須注意更換培養(yǎng)基、維持 ECM以及防止交叉污染。解決這些問題就需要通過開發(fā)培養(yǎng)容器和更易于處理的方法來簡化實(shí)驗(yàn)程序。
2. 分析標(biāo)準(zhǔn)化：在2D細(xì)胞培養(yǎng)中，通過MTT測定或測量ATP等間接測量方法可以很好地將細(xì)胞的活性測量標(biāo)準(zhǔn)化。在 3D 細(xì)胞培養(yǎng)模型中，現(xiàn)有 MTT 或ATP 試劑的擴(kuò)散和滲透性因每個(gè)細(xì)胞團(tuán)而異。目前，通常通過染色來測量細(xì)胞團(tuán)（球體）的大小。然而，這很難表示細(xì)胞團(tuán)中細(xì)胞的活性。使用組織透明度（CLARITY）或共聚焦顯微鏡精確測量細(xì)胞團(tuán)中細(xì)胞活性的研究一直在進(jìn)行中，但該技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。如果這些問題得到解決，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、生物相容性高的3D細(xì)胞培養(yǎng)模型有望在精準(zhǔn)醫(yī)療、新藥研發(fā)和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。
3D細(xì)胞培養(yǎng)模型是指在體外人工合成類似于體內(nèi)的環(huán)境，使細(xì)胞在各個(gè)維度上生長并與周圍環(huán)境相互作用的細(xì)胞培養(yǎng)模型。由于細(xì)胞是在類似于人體的環(huán)境中通過3D培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)的，因此它們顯示出與人體細(xì)胞和器官相似的特征。圖1為2014年奧地利格里菲斯大學(xué)發(fā)表在《生物國際雜志》上的 3D 細(xì)胞培養(yǎng)模型。在由ECM組成的 3D 空間中，營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣和藥物通過濃度梯度擴(kuò)散和滲透給細(xì)胞，以提供生物學(xué)上相似的環(huán)境。細(xì)胞間和/或細(xì)胞與ECM間相互作用以及通過細(xì)胞分泌物擴(kuò)散產(chǎn)生的旁分泌信號(hào)傳導(dǎo)是傳統(tǒng) 2D 細(xì)胞培養(yǎng)模型不具備的。因此，隨著生物技術(shù)的進(jìn)步，3D細(xì)胞培養(yǎng)模型有望成為研究人體生理學(xué)和疾病優(yōu)選的高效的生物技術(shù)平臺(tái)。
圖1 3D細(xì)胞培養(yǎng)模型的特征
3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)在彌合傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)方法和動(dòng)物模型之間的差距方面很有前景。3D細(xì)胞培養(yǎng)模型可分為球狀體和類器官模型。球狀體和類器官是通過聚集許多細(xì)胞形成的 3D結(jié)構(gòu)。根據(jù)細(xì)胞起源、類型和 3D 中實(shí)現(xiàn)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，球狀體和類器官可以作如下區(qū)分：球狀體只是將細(xì)胞聚集成 3D 結(jié)構(gòu)，但類器官具有自我分化能力，結(jié)構(gòu)和功能與人體器官相似。目前3D 細(xì)胞培養(yǎng)模型、類器官和球狀體等術(shù)語可以通用。
圖2 2D和3D細(xì)胞培養(yǎng)模型的比較
在過去100年，將細(xì)胞接種在培養(yǎng)皿表面的2D細(xì)胞培養(yǎng)模型一直在不斷發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。2D 細(xì)胞培養(yǎng)模型易于實(shí)施，并且可以輕松獲得市售產(chǎn)品，用戶可以方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而，二維細(xì)胞培養(yǎng)模型由于其生物相容性低，不能準(zhǔn)確地表示不同生物的反應(yīng)。為了解決這個(gè)問題，開發(fā)了3D細(xì)胞培養(yǎng)模型。研究結(jié)果顯示3D細(xì)胞培養(yǎng)模型在細(xì)胞形狀、細(xì)胞分化和藥物代謝方面比傳統(tǒng)的2D細(xì)胞培養(yǎng)具有更高的生物相容性。此外，與基于動(dòng)物模型的實(shí)驗(yàn)相比，使用3D細(xì)胞培養(yǎng)模型的研究有許多潛在優(yōu)勢。3D 細(xì)胞培養(yǎng)模型可以更快、更高效地提供大量信息。與動(dòng)物模型相比，使用人類來源細(xì)胞的3D細(xì)胞培養(yǎng)模型可以更準(zhǔn)確地模擬人體組織，并且構(gòu)建研究模型所需的時(shí)間和成本更少。實(shí)現(xiàn) 3D 細(xì)胞培養(yǎng)模型的方法尚未標(biāo)準(zhǔn)化。3D細(xì)胞培養(yǎng)模型可以使用無支架方法和支架方法開發(fā)，允許細(xì)胞在沒有ECM或有ECM空間中培養(yǎng)細(xì)胞（圖3）。無支架方法根據(jù)用于收集細(xì)胞的方法分為四種類型包括靜態(tài)懸浮培養(yǎng)、旋轉(zhuǎn)/旋轉(zhuǎn)室培養(yǎng)、納米圖案孔培養(yǎng)和磁懸浮培養(yǎng)。支架方法可以分為各種類型，具體取決于所使用的人造聚合物，例如固體支架或水凝膠作為ECM。在結(jié)構(gòu)上，它們分為孔、微通道和微柱類型，具體取決于 ECM 的位置。
圖3 3D細(xì)胞培養(yǎng)工具
迄今為止，還沒有3D 細(xì)胞培養(yǎng)模型的標(biāo)準(zhǔn)化方法。研究人員仍在開發(fā)更新的3D細(xì)胞培養(yǎng)模型，并且已經(jīng)進(jìn)行了許多嘗試將其商業(yè)化。盡管市場上有許多產(chǎn)品，但3D細(xì)胞培養(yǎng)模型成為生命科學(xué)研究人員和醫(yī)護(hù)人員的主要消費(fèi)市場仍然任重道遠(yuǎn)。使用 3D 細(xì)胞培養(yǎng)模型進(jìn)行研究的阻礙可分為以下兩大類：1. 用戶友好性：3D細(xì)胞培養(yǎng)模型必須注意更換培養(yǎng)基、維持 ECM以及防止交叉污染。解決這些問題就需要通過開發(fā)培養(yǎng)容器和更易于處理的方法來簡化實(shí)驗(yàn)程序。
2. 分析標(biāo)準(zhǔn)化：在2D細(xì)胞培養(yǎng)中，通過MTT測定或測量ATP等間接測量方法可以很好地將細(xì)胞的活性測量標(biāo)準(zhǔn)化。在 3D 細(xì)胞培養(yǎng)模型中，現(xiàn)有 MTT 或ATP 試劑的擴(kuò)散和滲透性因每個(gè)細(xì)胞團(tuán)而異。目前，通常通過染色來測量細(xì)胞團(tuán)（球體）的大小。然而，這很難表示細(xì)胞團(tuán)中細(xì)胞的活性。使用組織透明度（CLARITY）或共聚焦顯微鏡精確測量細(xì)胞團(tuán)中細(xì)胞活性的研究一直在進(jìn)行中，但該技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。如果這些問題得到解決，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、生物相容性高的3D細(xì)胞培養(yǎng)模型有望在精準(zhǔn)醫(yī)療、新藥研發(fā)和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。
基于 3D 細(xì)胞培養(yǎng)的高通量篩選（HTS）領(lǐng)域在過去幾年中呈指數(shù)級增長，特別是針對皮膚、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、心臟和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等各種器官疾病的3D藥效評估和毒性測試。同時(shí)也在開發(fā)優(yōu)化的 3D 培養(yǎng)模型來模擬體內(nèi)組織內(nèi)環(huán)境和疾病病理學(xué)的微環(huán)境。如果將3D細(xì)胞培養(yǎng)方法與生物醫(yī)學(xué)工程相結(jié)合，則有望實(shí)現(xiàn)基于3D仿生平臺(tái)的藥物發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究。