3D细胞培养的工具变迁:从水凝胶到器官芯片[创新技巧]

【字体: 时间:2017年04月10日 来源:生物通

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  在培养皿中培养细胞,似乎是司空见惯的事。不过,研究人员逐渐意识到,在细胞培养中引入第三个维度,才能与天然的生长环境更贴合。于是,3D培养的技术应运而生。在这一期的《BioTechniques》上,Sarah Webb回顾了各种技术和工具。

生物通报道  在培养皿中培养细胞,似乎是司空见惯的事。不过,研究人员逐渐意识到,在细胞培养中引入第三个维度,才能与天然的生长环境更贴合。于是,3D培养的技术应运而生。在这一期的《BioTechniques》上,Sarah Webb回顾了各种技术和工具。

培养工具

毫无疑问,我们身体中的大多数细胞都停留在3D环境中。就细胞与细胞外基质的相互作用、细胞之间的通讯以及可溶因子的转运而言,3D微环境与2D培养相比更为复杂。近年来,研究人员意识到,细胞微环境的改变可能导致细胞行为和病理出现重大差异。

弗吉尼亚大学的化学工程师Steven Caliari指出,即使是微小的差异,比如细胞是生长在玻璃上还是塑料上,都可能改变它对药物的反应。Caliari的团队专注于设计新材料,让研究人员可用来探索细胞生物学的基本问题。

如今,3D细胞培养有很多种选择。胶原蛋白是许多组织的主要蛋白质组分,也是3D培养的良好材料。“你可以购买胶原蛋白,将pH和温度调整到生理范围,让胶原蛋白自我组装成水凝胶,”Caliari说。不过,胶原水凝胶的缺点是通常非常柔软,因此在需要稳固的测试系统时,它们往往不是最佳选择。

3D细胞培养的卖点之一是能够测试应力对细胞行为的影响。研究人员对调整水凝胶的机械性能非常感兴趣,但天然的生物聚合物难以控制这一特征。因此,人们大多选择合成水凝胶。聚乙二醇(PEG)水凝胶在3D培养中就很受欢迎,目前已被广泛使用。不过,缺点在于细胞回收。为了解决这个问题,一些PEG试剂盒包含肽段降解序列,可利用基质金属蛋白酶(MMP)来切割。

哈佛大学的研究人员Ali Khademhosseini正尝试将明胶和光交联剂结合起来,以改造天然聚合物的生物相容性。通过3D打印等分层策略,他们可利用光的模式来锁定凝胶结构。据Khademhosseini介绍,将可调整的机械性能与水凝胶降解相结合,有望通过生长因子或其他分子来修饰环境。如今,他们将这个想法扩展到弹性蛋白。

3D新见解

弗吉尼亚大学的另一名研究人员Jennifer Munson主要研究脑细胞以及影响它们行为的环境因素。由于大脑中富含透明质酸(HA),她的许多实验便以此为基础。Munson的研究小组将单细胞重悬在HA水凝胶中,然后将该溶液置于96孔板。所产生的结构大约是75 μl,而比较复杂的培养物(如星形胶质细胞)可以达到150 μl。

Munson感兴趣的是组织内的液体流动,特别是流体在正常脑组织和脑癌中的作用。在临床上,这种流动导致癌症的侵袭,对药物递送也至关重要。2D培养无法为液体流动或药物吸收设置屏障,因此Munson的实验都需要3D培养。

她的团队已经通过健康细胞和癌细胞的各种组合筛选出小分子。在仅包含恶性细胞的培养物中,小分子抑制剂刺激细胞侵袭。然而,当研究对象上升到完整的肿瘤微环境(包括癌细胞、小胶质细胞、免疫细胞和星形胶质细胞)时,抑制剂真的起了作用,阻止癌细胞扩散。

器官芯片

对于3D培养领域,目前让人最激动的也许是“器官芯片(organ-on-a-chip)”。这些微流体装置包含一群健康或患病的细胞,而它们所经历的体外环境正模拟着人体内的物理、机械和化学因素。

如今,器官芯片主要有两种形式:对单个器官的细胞或组织建模,或者在同一芯片上组合多个器官的细胞。瑞士伯尔尼大学的Olivier Guenat表示,尽管这两种策略都能够回答重要的问题,但将重点放在一个器官(如肺部)上,让研究人员能够先弄清单个系统的复杂性。

2015年,Guenat与呼吸科医生合作,开发出全球第二个肺部芯片设备。早在2010年,哈佛大学Wyss研究所宣布开发出首个设备。临床医生至今还不知道特发性肺纤维化的确切原因,但肺上皮的反复损伤似乎是疾病的起点。治疗方法通常仅限于肺移植,否则这种疾病将是致命的。

Guenat的肺部芯片设备可理清组织内许多相互作用的参数,并分别检测它们的影响。一个重要的设计特征是能够观察机械生物学,并直接测定组织上的应力与细胞的生理反应之间的联系。研究人员可准确控制各个组分,包括细胞组成、生长因子以及压力。

不过,将器官芯片方法推广到日常使用,仍然面临挑战。对于这种全新的工具,制药行业需要花费很长的时间来验证。此外,全世界不同地区采用不同的测试标准和验证过程。研究人员希望国际监管机构能够合作,以便器官芯片能够在全球范围内使用。(生物通 薄荷)

原文检索

CELLS IN THE THIRD DIMENSION

BioTechniques, Vol. 62, No. 3, March 2017, pp. 93–98

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