球体和瀑样工程的进展和应用

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的进步三维(3 d)组织文化让生物学家研究细胞生长和交互的方式从来没有可能与传统二维(2 d)组织文化。细胞系生长2 d表已经奠定了基础的我们当前的知识不同的细胞和组织,用于广泛应用——从疾病药物筛选模型。然而,有限制细胞生长在2 d可以揭示,和研究人员正在推动生物工程的边界更有力地创建球状体和瀑样,重现健康和病变组织的复杂性。我们看一些最新进展和应用和领域发展的方向。

瀑样的优点和局限性

“有三个关键定义一个瀑样的东西,”解释了凯蒂·凯尔特,实验室的博士生发展中肠瀑样莎拉Heilshorn教授斯坦福大学。“第一,它包含细胞类型中发现本机器官,第二是它模仿的原生架构器官在某种程度上,第三是肠道功能——瀑样,可能意味着维护肠道屏障的完整性。”

相比之下,一个球体——这是一群细胞生长在3 d -可能包含一个细胞类型,通常更不成熟的细胞类型的组织,一旦分化较为多样化的细胞类型,可以被视为一个瀑样。

有许多使用球状体的优点和瀑样2 d组织培养。他们使我们能够研究和信息交互和细胞之间的相互作用及其环境。他们也使研究人员能够繁殖生理学方面,不能在细胞系进行研究,如细胞如何应对变化的环境,如刚度、改变他们的多细胞几何。

·凯尔特的工作,他们特别感兴趣的是用瀑样来研究不同的肠道细胞结构——从隐窝干细胞的绒毛有晚期分化细胞。“如果我想研究这些细胞是如何相互作用的特定位置,这确实是挑战的一个2 d模型,我们失去了空间组织在瀑样,“·凯尔特说。

另一个优势是,3 d文化允许瀑样外的研究发生了什么——如何组织与环境相互作用的增长吗?越来越多,他们也被用来研究治疗的影响通过测试在瀑样或球状体从病人的细胞。这些都是感兴趣的领域Heilshorn的实验室,但也有需要克服的局限性。

最大的一个限制是,其中一个最基板用于瀑样包含许多不同的蛋白质,它可以很难梳理出什么机械或信号因素推动瀑样的生物学。此外,瀑样种植在基质来源于动物源,如老鼠的肿瘤,不太可能批准临床应用。

为了解决这个限制,在Heilshorn的实验室,他们已经开发出生物材料,让他们仔细调整参数如刚度、应力松弛速率和浓度不同的组件,如酶肽,arginine-glycine-aspartic酸(RGD)。这意味着他们可以优化矩阵最好支持的增长瀑样他们感兴趣。这些生物材料称为帮助——或透明质酸和elastin-like蛋白质(ELP)。¹“ELP模仿本机弹性蛋白在我们自己的身体,但工程包含一个RGD肽序列,使其与细胞。化学改性的序列也含有赖氨酸组结合透明质酸,“·凯尔特解释道。结果是一个优化的凝胶,可以用来培养肠道瀑样细调优凝胶最佳支持崭露头角的干细胞。随着细胞生长,他们可以改造矩阵通过凝胶的动态共价键和释放酶降解周围的矩阵。这也支持细胞分化的能力。

尽管如此,瀑样仍在某种程度上从一个完全肠功能。“有时我们称肠瀑样‘mini-gut’,”·凯尔特说,“在某些方面,但我不能够养活这些瀑样一个汉堡,看着他们经过消化道——是美丽的在某种程度上有某种组织,处理食物。我每天思考这些限制;这也是我们的动力。”

尽管他们的局限性,这些肠道瀑样已经被用于一个项目来帮助理解肠道组织对放疗治疗。“斯坦福,我幸运的与一组合作学习FLASH辐射,辐射剂量给出速度更快的速度与什么相比目前临床使用。我感兴趣的研究肠道再生,和瀑样提供了一个非常好的镜头能够研究辐射是如何影响人体组织。“通过辐射瀑样然后分离成单个细胞,他们希望确定瀑样细胞仍然保持足够的可行形式。在未来的工作中,使用矩阵定义他们发达,·凯尔特还希望了解不同的信号或机械信号影响再生。

Label-Free仪器,活细胞实时3 d瀑样

越来越多被用作瀑样技术在体外人类发展和疾病模型展览结构,形态形成和功能属性,概括在活的有机体内病理生理学。然而,强劲的技术描述和可视化这些模型可能会受到时间和艰苦的过程和第三方软件。下载这个程序注意去发现一个解决方案。

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一组规则开发和瀑样球状体

瀑样开始生活球状体- 3 d群细胞进一步分化之前。的确,3 d球状体有许多类似的优势瀑样的反映细胞及其环境之间复杂的相互作用和可以概括特性如缺氧地区或在肿瘤坏死核心。出于这个原因,他们越来越流行的研究生物学和药物筛选模型。

文献中描述“球状体已经50多年来,“说马修·辛普森昆士兰大学的数学教授。“但很多新技术出现了这意味着我们可以回顾现有的球面方法和提取新的信息。”

辛普森是使用新型成像技术和标记方法与数学建模在球状体更加了解细胞的行为和这种变化取决于可用性的营养。

他们使用一个平台称为荧光泛素化细胞周期指标(FUCCI),标签在单个细胞的细胞周期。通过这个平台,他们可以跟踪单个细胞和细胞群。”其中一个最复杂的数学建模方法我们使用随机模拟跟踪单个细胞内的人口,”辛普森解释道。“我们从30000年开始细胞,大约相同数量在一个球体,我们模拟了10天。最终你会得到一个非常大的人口,我们可以产生一个图像模拟,看起来就像一个真正的球体与显微镜图片你会看到。”

在这样的一个研究中,目前发表的预印本,^2*他们比较的模拟与实验黑色素瘤肿瘤增长的4 d球体球状体,使用FUCCI平台跟踪。他们发现结果数据与实验数据相比,提供定量信息营养球体中的可用性,这是难以衡量的数据在标准肿瘤球体实验。

在最近的其他工作,^3,4他们模仿细胞群而不是单个细胞,测试是否球体生长特性匹配预测从经典理论模型。”而不是单个细胞模型,我们代表细胞的密度取决于他们在哪里在球体,因为我们知道细胞表面有充足的氧气将不同细胞在球体的中心氧气有限,”辛普森说。在一项研究中,他们检测肿瘤是否具有不同初始数量的细胞生长的种子球状体相同的大小。³“这是一个非常简单的问题,但它从未测试实验。然而,许多数学模型写几十年前暗示最终球状体相同的初始细胞密度不管。”

他们播种不同数量的黑色素瘤细胞——从2500年到10000年,发现了球状体大小相似,同意之前未测试的预测。“我们很高兴看到一些非常基本的假设理论家想象如此实际上是真正的在实验室里。

另一项研究着手解决的一个主要限制球体生物学、再现性。⁴“众所周知,实验在生物很难繁殖,而在其他领域,如工程和物理事实并非如此,因为数学是用来设计实验,”辛普森说。“如果你看看球体文献,实验设计是不稳定的,球状体生长在不同长度的时间内,他们从不同的细胞数量,一定程度上只有外半径而其他人也测量坏死核心。“辛普森和他的同事们决定你需要多少数据记录得到一个可靠的、可复制的结果从一个球体的实验。“这样做实验是非常昂贵和耗时的,但我们知道,当别人数学模型解决了我们的数学方程,得到同样的答案。”

学术球体模型可以用于研究,但也带来新的见解和一致性球体生物学被用于临床和转化设置。“抗癌药物的关键目标之一是细胞周期,所以你可以观察单个细胞通过细胞周期,然后用一种药物是非常重要的,”辛普森说。“还有个性化的治疗,临床医生把病人肿瘤样本,细胞生长成球状体或瀑样和屏幕不同的药物发现的理想选择。如果没有人知道最佳时期是成长多久这些球状体,和你有一个有限的窗口增长这些模型,你不想浪费这个机会,你想要得到正确的测量结果。”

下一步是开始改变参数在他们的模型中,看到发生了什么球体的增长模式。这包括氧含量等因素,或添加药物。

这个阶段的工作仅限于球状体,但是建模瀑样绝对是一个野心。“当然,我们很乐意这样做,但许多科学家数学家经营有所不同。大多数科学家想要的一切在他们的实验模型——所有的细胞,营养等等。我们从不同的方式说,让我们试着理解的最简单的事情。”

引用

1。亨特博士,·凯尔特KC, Mascharak年代,et al。工程矩阵使人类的文化patient-derived肠道瀑样。阿德科学。2021;8 (10):2004705。doi:10.1002 / advs.202004705

2。墨菲RJ Klowss JJ,布朗宁美联社,等。4 d的随机数学模型肿瘤细胞周期的实时荧光标签球状体。bioRxiv。2021年11月29日,预印本网上发布。doi:10.1101 / 2021.11.28.470300*预印本

3所示。布朗宁美联社,锋利的农协,墨菲RJ, et al .肿瘤球体结构的定量分析。Elife。2021;10:e73020。doi:10.7554 / eLife.73020

4所示。墨菲RJ,布朗宁美联社,Gunasingh G,哈斯NK,辛普森乔丹。设计和解释4 d肿瘤球体实验。Commun杂志。2022;5 (1):91。doi:10.1038 / s42003 - 022 - 03018 - 3