介绍瀑样、瀑样创造、文化和应用程序

瀑样已经彻底改变了生物和医学领域的研究和技术已经被证明是一个优秀的替代品在临床前研究中动物模型。在这里,我们讨论瀑样是什么以及他们如何多年来已经发展成为受欢迎的研究工具。详细了解技术培养,类似肿瘤的特点及应用各种瀑样和身体结构等大脑、肺、肠、肝、肾脏和视网膜。

瀑样三维(3 d)细胞培养系统,可以被称为“mini-organs”模拟的一些关键多细胞,甚至解剖和功能特性的器官。

瀑样是指一个3 d的文化来源于组织外植体不同的细胞类型,肿瘤干细胞或祖细胞,在控制条件下自组织和分化成功能性细胞获得的复杂性,一个器官或身体结构的解剖学和生理学。一个肿瘤瀑样来自主要肿瘤被称为tumoroid。¹

在1907年,它提出了复杂的器官/组织结构可以被重塑在体外后亨利·彼得斯威尔逊表明海绵细胞文化可能自组织和再生成成年有机体的。这被认为自组织和细胞的再生潜力文化可能被利用来概括部分完整的组织或器官。标准二维(2 d)文化占个体细胞的增长和维护层表面的烧瓶或培养皿。然而,挑战是实现细胞的三维空间构象,因为他们是在他们的自然环境。²

随后试图实现3 d文化被认为在1950年代当模式和相当的种植各种使用胶原蛋白与人体细胞谱系老鼠尾巴作为支架。几次模型在活的有机体内器官系统在1980年代和90年代使用dissociation-reaggregation实验:例如,细胞分离出小鸡胚胎或鼠标胎儿肺分离和允许reaggregate文化。自1975年以来,科学家们已经开始关注发展中支架促进cell-matrix连同所需信息交互的交互在体外细胞分化,就像在组织和器官,从而引发的一个重大飞跃从2 d文化转移到3 d瀑样。浮动凝胶或矩阵富含胶原蛋白、层粘连蛋白等用作培养支架组织或细胞碎片分离分离器官在3 d环境中。^1,2

发展的地标瀑样了第一个成功的隔离多能胚胎干细胞(ESCs)在1998年从1981年的老鼠和人类胚细胞。2006年,Kazutoshi高桥和Shinya Yamanaka转基因小鼠成纤维细胞培养小鼠多能干细胞(已经)。诱导或胚胎已经或的ESCs)的细胞则有有效的自我更新和自我组织的能力缺乏主细胞与组织或器官。已经被器官分化的祖细胞文化产生多种细胞类型,自组织形成organ-like复杂结构在文化、器官形成的过程类似于胚胎直到出生。干细胞的发现改善瀑样技术通过消除需要隔离和培养一些细胞类型和减少了需要昂贵的微分媒体和复杂的支架。此后,人类诱导多能干细胞的建立(hiPSCs) 2007年瀑样技术促进瀑样的发展带来了革命性的变革,从单一的个人,可以用于多种多样在体外和临床前研究。^3,4

多年来发展的里程碑式的事件瀑样图1所示。

图1: 巨大成就的时间表说明研发导致代瀑样技术。缩写:ECM,细胞外基质;ESC,胚胎干细胞;万能干细胞,诱导多能干细胞。信贷:技术网络。188金宝搏备用

21世纪初,瀑样开发,不需要使用凝胶或支架。细胞培养在空中液滴介质使用表面张力或与纳米颗粒悬浮介质的磁场。然而,scaffold-free方法没有得到普及和没有进一步显现。细胞外基质(ECM)中发挥着重要作用在活的有机体内器官的微环境和建筑,天然或合成矩阵瀑样继续影响显著的改进。从2012年开始,气液界面(ALI)是用于启动瀑样细胞培养在凝胶浸在中这样的上层细胞暴露在空气中,促进他们的极化和分化。ALI模型被用来构造瀑样细胞系,细胞分化中分离出来的ESCs或主细胞的皮肤。先进的生物工程和生物打印技术也有所改善瀑样培养技术在过去的十年中,制作复杂的器官作为支架微体系结构不同的细胞谱系可以播种和培养富集培养基来生成一个“organ-on-chip”模式。Multiorgan-on-a-chip模型包含不同类型的瀑样特别设计的支架/隔间在单个芯片上允许cross-organ建模研究和多器官疾病。^2,5

ESCs,万能干细胞,成体干细胞和癌症细胞都可以使用创建瀑样。细胞悬浮液或碎片可以获得组织,器官或使用机械或酶让低温贮藏瀑样。这些细胞或组织碎片播种在区分介质low-attachment盘子或文化血管生成5 - 7天3 d细胞聚集体称为球状体。球体形成也可以使用正常的悬浮培养,执行微型生物反应器或辊瓶子。这些球状体栽进液体ECM,基底膜基质或agarose-based凝胶。协议是根据使用的祖细胞和器官/组织结构又一次重复:在某些情况下,分离得到的细胞组织或瀑样悬浮液体直接播种到ECM,跳过分化的步骤。凝胶聚合在37℃获得3 d文化,这是补充organoid-specific扩张和成熟中刺激增长所需的细胞类型,导致organ-like结构。例如,生长因子的培养基补充EGF刺激上皮细胞的生长和肿瘤瀑样;而纤维母细胞生长因子10需要胃、乳腺癌和肝癌tumoroids。^2,6

一般来说,长成,生成功能瀑样30 - 60天之后(甚至更长)成熟中,补充每周两次。这个成熟的瀑样可以维持约100天(有时一年)通过改变成熟培养基一次或两次使每10天瀑样。使,成熟中删除和瀑样轻轻地破碎成更小的片段使用温和的细胞分离试剂15 - 20分钟,其次是激烈的移液。几个离心分离和洗涤的步骤后,瀑样颗粒最后获得resuspended液体ECM重复瀑样生成的整个过程。瀑样可以低温贮藏和新鲜瀑样可以由完全离解生成这些冰瀑样。^2,6协议是高度适应目标器官或身体结构重建和广泛的专业媒体和媒体补充剂,以及其他材料,如transwells,孔板或矩阵,可用商业提升瀑样技术的各种系统。

协议的原理图瀑样生成和文化是图2中提供。

图2: 代瀑样的示意图表示从人类胚胎、器官或肿瘤。缩写:ECM,细胞外基质;ESC,胚胎干细胞;万能干细胞,诱导多能干细胞;SC,干细胞;3 d三维。 信贷:技术网络。188金宝搏备用

瀑样和球状体都是3 d多细胞培养技术使用外植体组织或细胞的共培养。球状体spherical-shaped,自由浮动的细胞聚集形成自发的文化。瀑样是一个先进和更复杂的球状体形式和结构单位在很大程度上类似于一个器官。²

虽然术语瀑样和球状体互换使用,瀑样之间有细微的差别和球状体^1,3下表中列出:

差异	球体	瀑样
细胞类型	多种细胞类型包括细胞系、肿瘤细胞、主细胞和细胞的混合物	至少一个内皮细胞和间充质细胞类型,包括干细胞,诱导多能干细胞和肿瘤细胞
体系结构	与单一的组织或3 d细胞结构	与多个组织或器官
Form	层的异构增殖、坏死或静止细胞	复杂的结构分化细胞
组装	自组装与细胞粘附和细胞间聚合	自组装的分化细胞在物理和化学信号
组织	自组织在特定的模型	自组织成复杂的结构和模式
补充	有或没有细胞外基质和生长因子,不需要昂贵的支架	需要生长因子、细胞外基质有或没有昂贵的支架;瀑样没有支架需要额外的配件
时间和复杂性	降低复杂性,更少的时间来生成,不如瀑样昂贵	更高的复杂性,不再生成, 更昂贵的比球状体

的瀑样的优点在标准的细胞培养下面讨论的方法或球状体。

• 保护organ-like特点:瀑样超过标准的细胞培养方法的主要优势是细胞的三维空间安排在文化、模拟自然形态。如何在瀑样祖细胞分化和组装成organ-like结构发展遵循机制类似于自然形成器官的胚胎最终转换成婴儿。因此,瀑样保存细胞的细胞和分子机制相比,标准的细胞培养或甚至球状体。这些属性使瀑样优秀的模型来研究器官生成和功能全器官以及特定区域。²
  
  
• 细胞间和cell-matrix交互:ECM提供了主要的结构组织和允许细胞功能和通讯生物组织和器官的正常运转。瀑样允许多种细胞类型之间的交互和像organ-like复杂的结构,这是不可能实现的任何标准单层文化,甚至培养球状体的两个或两个以上的细胞类型。瀑样提供一个机会来研究cell-to-ECM相互作用以及细胞间的相互作用在3 d的水平。^1,2
  
  
• 特定的物种和替代动物模型表示:人类瀑样的使用消除了特有的机制和提供有效的替代动物模型来研究人体器官,因此提供了一个机会来执行机械的研究在“人类模式”系统。²
  
  
• 建模在个人层面:瀑样生成单一个人或患者提供细胞,形态和其他科学数据在个人层面。甚至tumoroids保护组织病理学以及遗传特性的原始肿瘤/癌症患者个体。Tumoroids,多个瀑样具体个别器官或multiorgan-on-a-chip允许疾病发病机理的个体或集体治疗反应进行了研究。^1,2,7
  
  
• 高通量和有效的临床前模型:有更多的相似之处在活的有机体内系统与球状体或标准细胞培养相比,可以使用瀑样疾病的有效机制模型和试验药物的疗效候选人和其他疾病的治疗干预。众多瀑样可以从有限生成人体材料,因此几个测试可以同时在执行这些瀑样。因此,时间轴药物筛选测试是降低和之间的差异在体外测试和实际病人反应是最小化,进而减轻经济负担由于生产、临床前和临床试验前的药物释放到市场。^1,7

开创性的工作在过去的十年中导致肿瘤模型的建立来自人体的瀑样,胚胎和广泛的组织和器官,其中一些下面突出显示。

大脑瀑样

瀑样源自人类已经由几个细胞谱系可以概括细胞和区域相互作用以及大脑血管的形成。大脑瀑样类似于大脑的特定区域或组合多个脑区和/或细胞谱系,作为代表模型研究的发展,人类大脑的功能和功能障碍。人类大脑PSC-derived瀑样模型被用来研究基因突变在头小畸型,抑制性神经元异常在孤独症谱系疾病和癫痫、帕金森病的发病机理和机制Zika病毒感染的大脑。^1,8,9

肺瀑样

人工气道瀑样曾成功地研究传染性呼吸道合胞体病毒和流感病毒的机制。²此外,他们作为代表实验模型研究严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2 (SARS-CoV-2)感染与随后的药物筛选。其他几个肺泡瀑样源自不同的细胞类型,模仿特定区域或多个领域的组合在肺部已经开发研究SARS-CoV-2发病机制和促进新疗法的发展。超过1000的药物,包括25-hydroxycholesterol remdesivir和camostat检测它们的有效性对SARS-CoV-2肺瀑样模型之前,他们对人类管理。^2,10

肠道瀑样

复杂的非对称结构的肠子,包括隐窝和绒毛,在从单一肠道干细胞瀑样重新创建。高度专业化的上皮屏障功能中起着重要作用,体内平衡的肠道。瀑样让制药生物的目标的成功的识别以及小分子药物监管机构在上皮细胞的组成和运行障碍。肠道上皮细胞小肠和结肠重建使用瀑样作为有前途的模型为研究的传染性οSARS-CoV-2的变体。^{11- - - - - -13}

肝脏瀑样

多细胞肝瀑样从人类原发性肝星状和万能已经有效地应用于肝纤维化模型,脂质代谢和遗传稳定非酒精脂肪肝和非酒精性脂肪肝。肝脏瀑样被用来区分祖细胞或已经进入肝细胞和肝味蕾。这些可以在小鼠移植与嫁接效率高的一代成熟肝细胞,甚至血管功能齐全的肝脏在活的有机体内。这些发现暗示瀑样的潜在作用肝脏移植的器官损害或器官衰竭。^2,14

肾脏瀑样

改良的生物工程技术近年来取得了高度复杂的肾脏瀑样,允许一些疾病被建模包括多囊肾疾病,囊性纤维化、肾细胞癌、病毒感染。在临床试验中,19%的失败,因为药物的肾毒性。因此,一些常见药物如顺铂,庆大霉素,阿司匹林、青霉素G,最近在肾脏瀑样测试预选。重组人可溶性血管紧张素转换酶2的治疗效果进行了测试在SARS-CoV-2-infected肾脏瀑样。瀑样来自patient-derived万能也用来研究基因突变和个性化治疗先天性肾病综合征。¹⁵

肿瘤瀑样

最近,瀑样技术的提高,重现了肿瘤微环境利用的主要细胞或肺癌症细胞系,肝、肾脏和心脏在文化。瀑样从众多的癌症可以被冻结或培养的很长一段时间,保持他们的形态、组织病理学、表观遗传机制和基因档案研究癌症肿瘤的进展和临床特征。大脑的生物patient-derived瀑样(pdo),乳腺癌、宫颈癌、结肠癌、胃癌、头部和颈部、肾、肝、卵巢和胰腺癌进行大规模促进免疫疗法和精密医学根据癌症患者的临床异质性。^7,16

视网膜瀑样

视网膜瀑样已经开发成功从视网膜干细胞和独立的ESCs能够很大程度上的模仿视觉周期和响应在健康的眼睛。基因突变参与视网膜疾病色素性视网膜炎的发病机理,雷伯氏先天性黑内障,视网膜母细胞瘤和青光眼模型有效地使用视网膜瀑样。hiPSC-derived色素光感受器细胞的移植到人类视网膜在年龄相关性黄斑变性可能改善视力。²

考虑到上述优势,瀑样提供潜在的应用和发展等领域的基础研究,发育生物学、组织工程、药物测试和筛选。^1,7Patient-derived瀑样有潜在影响精密医学和细胞疗法在再生医学中的应用。⁷

药物发现

瀑样作为药物毒性的快速、可靠的方法测试,药物发现、筛选和验证。238销售药物肝毒性瀑样25作用于心脏的药物在心脏瀑样,顺铂和庆大霉素肾瀑样,39销售diarrheagenic药物在肠道瀑样和长春新碱和鱼藤酮在大脑瀑样测试和报告。¹⁷瀑样技术发挥了重要作用在治疗和治疗靶点的发现COVID-19流行:效率和潜在的毒性药物治疗COVID-19可以同时测试多个器官使用multiorgan-on-a-chip瀑样。^17,18

疾病模型

人类iPSC-based瀑样容易受到病原体和宿主-病原体相互作用提供了一个潜在的建模手段在细菌或病毒感染。脑和神经瀑样已经用来Zika病毒感染模型。肠道瀑样已经成功地模拟轮状病毒病理学和胃瀑样用来模拟细菌感染了幽门螺杆菌。人类PSC-derived肺瀑样阐明SARS-CoV-2感染的各个方面,包括细胞趋向性,基因档案如何影响易受病毒感染,病毒入口和复制在宿主体内的机制,在感染后宿主细胞和细胞和代谢变化的反应。^19,20.

病态的突变可能会引入健康的瀑样CRISPR-Cas9或其他基因编辑方法研究这些突变在癌症发展的影响。结直肠adenoma-carcinoma可以重新创建通过引入驱动突变基因APC,喀斯特,TP53,SMAD4和PIK3CA健康的瀑样,而胰腺导管腺癌可以由司机突变基因喀斯特,CDKN2A,SMAD4和TP53在健康的瀑样。^2,19

发育生物学

瀑样可以用来模拟形态形成事件提供详细的见解的开发和功能组织和器官。ESCs瀑样由从老鼠和人类的自组织和形成原肠胚形成胚胎在文化、为哺乳动物早期发育提供新的见解。此外,瀑样提供模型系统研究在不同条件下的自组织机制,增加我们的理解自组织和控制复杂的多细胞行为在体外。⁷

除了ESCs,也已经从特定组织的细胞则是关键的发育生物学研究特定的组织和器官。瀑样重建的不同部分女性生殖系统大大提高我们对生殖器官的理解和个性化的关心女性开辟新的道路,并发症。2019年,皮肤与皮肤层瀑样含色素毛囊的成功建立,可以发挥重要的作用在皮肤再生疗法。^{2,21- - - - - -23}

个性化医疗

瀑样作为最好的模型在疾病的发病机理研究人与人之间的差异,个体对治疗的反应和促进治疗根据个人需求。¹瀑样提供潜在的各种共享或独特的机制研究的发展和功能器官,疾病进展或感染/过敏的机制可能不同于永生化细胞系或动物模型。⁷瀑样生物库的筛选显示为大肠癌遗传资料之间的相关性和药物反应,乳腺癌,前列腺癌和肝癌症。临床决定治疗患者新辅助化疗方案FOLFOX,由organoid-based数据,改善肝癌患者。一致,研究patient-derived瀑样提供88%的准确率预测响应和100%的准确率预测没有响应的药物治疗转移性胃肠道癌症患者。^6,21,24

考虑到瀑样的巨大潜力,目前广泛研究的重点是提高瀑样个性化医疗对各种疾病和发展条件。^24,25

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