三维细胞培养:发展飞快,挑战仍在

【字体: 时间:2017年11月14日 来源:生物通

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  与传统的细胞培养不同,三维(3D)细胞培养重现了细胞的体内环境。即使是简单的球体模型也能弥补单层培养的许多缺陷。这些结构可以形成氧气、营养物质、代谢物和可溶信号的梯度,从而形成多样化的细胞群体。

单层细胞培养虽然是经典的细胞培养方法,但也屡屡遭人诟病。约翰霍普金斯大学的博士后研究员Ha Nam Nguyen认为,单层培养的细胞不能准确模拟内源的生化过程和疾病表型。“这种差异导致大多数候选药物在下游的临床试验中失败,”他说。

与传统的细胞培养不同,三维(3D)细胞培养重现了细胞的体内环境。即使是简单的球体模型也能弥补单层培养的许多缺陷。这些结构可以形成氧气、营养物质、代谢物和可溶信号的梯度,从而形成多样化的细胞群体。它们也经历着细胞之间以及细胞与细胞外基质(ECM)的相互作用。

3D细胞培养也许会彻底改变科学家开展研究的方式。Nguyen引用小鼠这个无处不在的模型来说明这一点:“尽管人们常在小鼠大脑上开展研究,以了解人类大脑的发育和功能,但两者有很大不同。人类大脑比较大,也有着新的结构和功能,这些在小鼠身上没有观察到。”

他认为,3D培养也许可替代动物和人类的活体检测。现在已经有一些研究是利用3D迷你大脑来高效地研究寨卡病毒。“一个模拟大脑结构和生理的新模型将让这个领域受益,”他说。不过,科学家也需要擦亮眼睛。Nguyen警告说:“一些3D系统只是细胞的聚集物,根本不像人体组织。”

选择合适的模型

“3D培养”一词的定义广泛,涵盖了迷你器官(类器官)、球体、器官芯片(organ-on-a-chip),以及在猪体内培养人体器官。East River BioSolutions的产品和开发总监Tanya Yankelevich表示,这些模型大致可分为有支架和无支架的模型,它们利用悬滴、低吸附板、微流体室或生物反应器。

尽管大多数研究有望从3D培养中获益,但Visikol的首席科学家Thomas Villani认为,个性化医疗以及药物毒性和疗效研究将获益良多。“在个性化医疗中,3D培养的最终目标是根据患者自身的细胞生成患者的肿瘤,在体外筛选一系列药物,然后根据肿瘤组织的反应决定采用哪种治疗策略。”

当然,首次尝试3D培养的实验室可能会被吓到,因为市场上有如此多的方法和产品。不过,往好的方面想想,那就是很多试剂已经过公司的验证。Villani表示:“我认为我们几年前经历了一个大的转折点,如今的试剂盒、平板和支架等都有了很大进展。”

比方说,现在可以买到各种各样的ECM底物。Yankelevich表示,ECM并不是通用的。“整个人体内的细胞外基质有很大差异,从细胞外环境的结构和生化组成来看,似乎是每个器官高度特异性的。”考虑到这一点,East River BioSolutions公司提供12种器官的TissueSpec™ ECM产品,可作为3D培养的水凝胶。

她表示,常见的产品要么包含许多肿瘤相关的生长因子,要么来自胶原蛋白,只含有一种ECM组分,而不含有组织特异的因子。TissueSpec则与它们不同。“我们的产品包含了组织基质中存在的天然的粘附和信号因子。”

越来越复杂的系统

虽然3D培养技术有了飞速的发展,但距离广泛采用可能还有很长一段时间。Corning的科学培训经理Mark Rothenberg认为:“目前还存在一些挑战,特别是在药物开发过程中。”

比如,如何评估在3D培养中观察到的复杂形态和功能。“与成熟的2D模型相比,3D细胞模型在成像、分析、定量和自动化方面都远远不够完善。”此外,Rothenberg指出,利用3D培养开展的药物疗效和毒性研究还需要进一步的验证。“只有一小部分的数据证实,3D模型中的药物疗效和毒性接近临床数据。”

不过,Villani对此抱有乐观的态度。他认为,这个领域变化如此之快,也许等到明年,所有这些问题的答案都将不同。“我确信,让人兴奋的新进展将不断涌现,”他说。

随着技术变得更加主流,一些困扰研究人员的问题也将得到解决。就分析而言,一个主要问题是三维结构内细胞的观察。Villani表示,观察细胞的唯一方法是切片和染色,因为它们太厚了,无法直接成像。Viskol目前正与InSphero和Corning合作,希望将HISTO组织清除剂用在3D培养物的共聚焦成像上。

3D培养物的大小也有可能成为实验的障碍。Nguyen指出,随着它们长得越来越大,内部的细胞将缺乏氧气和营养物质,最后逐渐死亡。他认为一致性的问题也值得关注,因为并非所有的组织都有相同的大小和结构。

因此,Villani认为最关键的问题是如何提取数据。“我们必须考虑各种参数和选项,以及它们如何影响您获得的数据,因为每种技术都存在优点和缺点。”

默克旗下Millipore Sigma的3D细胞培养产品经理Bénédicte Gagny则建议在开展实验之前,首先问问自己为什么要考虑3D研究。“答案不应该是这个研究领域的其他人都在做,而是要有一个明确的目的,”他说。

了解默克3D细胞培养产品的最新信息

(作者:Lauren Tanabe / 生物通编译)

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