细胞培养:从2D向3D转换[心得点评]

【字体: 时间:2013年09月24日 来源:生物通

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  如今,大部分细胞在塑料培养皿的表面生长,也就是说,是二维的。但在体内,细胞则被其他细胞、组织和细胞外基质重重包围。于是,研究人员开始尝试3D细胞培养,并观察它与2D培养的差异,包括基因表达、信号转导、细胞增殖、细胞形态、细胞间相互作用以及药物反应的改变。

如今,大部分细胞在塑料培养皿的表面生长,也就是说,是二维的。但在体内,细胞则被其他细胞、组织和细胞外基质重重包围。

于是,研究人员开始尝试3D细胞培养,并观察它与2D培养的差异,包括基因表达、信号转导、细胞增殖、细胞形态、细胞间相互作用以及药物反应的改变。

幸运的是,从2D到3D细胞培养系统的转换并非想象中那么困难,而且也是相当值得的。“你的收获在于所研究的细胞更接近它们的真实环境,这对你的生物学研究有好处,”TAP Biosystems的RAFT开发主管Grant Cameron如是说。

下面我们就来介绍一些从2D向3D转换时的注意事项。

3D系统的类型

3D细胞培养基质(或支架)为细胞培养环境增添了第三维。它们有几种主要的类型,包括来自天然材料的水凝胶支架,如细胞外基质胶原蛋白。TAP Biosystems的RAFT(Real Architecture for 3D Tissue)技术正是基于胶原蛋白,它让研究人员能够开展细胞生物学、药物开发和组织工程等研究。

Life Technologies的Geltrex®和BD Biosciences的BD Matrigel™是从小鼠肿瘤中提取出的基底膜基质,Sigma-Aldrich的MaxGel™是人细胞外基质,而Life Technologies的AlgiMatrix来源于褐色海藻。Microtissues公司在其3D 培养皿上使用基于琼脂糖的水凝胶。据介绍,在这种培养皿上,细胞会聚集并自我组装成数百个大小均一的多细胞球体。

3D细胞培养中所使用的第二种类型的支架是合成的水凝胶,有时也包括仿生肽,它们可增强整合素的结合。BD Biosciences的BD™ PuraMatrix™肽段水凝胶和Sigma-Aldrich的HydroMatrix™就属于这一类型,而Cellendes的3D Life Biomimetic 水凝胶也是由聚合物和交联剂制成的。

其他类型的人造支架是来自组织培养的塑料,甚至是可生物降解的塑料。还有一个系统,是利用磁悬浮让细胞悬浮,其中细胞产生自己的细胞外环境,而无需塑料支架。

n3D Biosciences公司的Bio-Assembler™系统就是这种,利用磁悬浮来3D培养细胞。该公司的首席科学家Glauco Souza介绍:“我们利用磁性纳米颗粒来实现3D细胞培养,而无需支架。你可以利用磁性笔来移动细胞,创建组织层,然后拿走磁铁,细胞就自由了。”Souza领导的研究小组利用这种方法生成了一种四层的细胞结构,类似于肺组织。

此外,还有一些系统可诱导球体形成,如B-Bridge的Lipidure-Coat板、3D Biomatrix的Perfecta3D®悬滴板,以及STEMCELL的AggreWell™,适合人诱导多能干细胞和胚胎干细胞。

了解Sigma-Aldrich 3D支架的更多信息


何时转换

越来越多的证据表明,在3D培养系统中生长的细胞会表现出更生理的表型、相互作用及反应。因此,当结果的生理相关性很重要,或者你无法通过其他方式来准确重现细胞行为时,或许应该考虑向3D转换。

AMSBIO的业务部经理Peter Rettenberger认为:“细胞在平坦的塑料表面上生长,这与它们天然的生理环境相距甚远,也需要一定程度的适应。与之相关的是对细胞的某种选择压力。”

当然,对于了解报告基因表达的转染实验而言,3D培养可能并不重要。但如果你研究的是复杂的药物相互作用,情况就大不相同了。在3D培养中,细胞对抗癌药物的敏感性可能与活体肿瘤更为相似。3D微组织中的药物运输和扩散更像3D的器官和组织。

现在你准备好了?以下这些秘诀可帮助你平稳过渡。首先,注意接种密度,需要比2D培养更高。Cameron解释道:“许多细胞要彼此靠近,甚至要与其他细胞类型共同培养。每孔中的细胞数量应增加,10-20倍是个合理的考虑因素。”他还建议在开展实验之前让细胞有一些过渡时间。

选择最好的3D支架材料也是成功过渡的一个关键因素。Cardy建议考虑几个关键问题:“我是否需要模拟细胞的天然细胞外基质?是否需要细胞形成有功能的多细胞结构?是否需要通过显微镜来分析我的3D培养,和/或回收细胞用于进一步分析?我是否想要控制凝胶的刚度和生物活性成分?”这些问题的答案可以帮助你缩小选择范围。

小心陷阱

支架的选择也为3D培养的过渡带来陷阱,因为它让一些分析方法复杂化。显微镜观察就变得很有挑战性。2D培养的单层细胞很容易成像,而3D培养物的多层细胞会散射光线。共聚焦显微镜则很好地解决了这个问题,但其他类型的分析也许还很难。Cardy认为,许多支架都不适合免疫组化技术或细胞复苏。

此外,细胞的行为也可能与2D有很大区别,例如,形成更高级的结构,如癌症肿瘤样。正如Cameron所言:“3D细胞培养开辟了一系列新的细胞反应和可能,但这些也会让研究人员大吃一惊。”

(作者:Caitlin Smith/生物通编译)

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