三维细胞培养:瀑样会添加一个新的维度对疾病建模?

这已经不是什么秘密,药物开发是一个长期的过程,故障率高。超过90%的药物候选人失败的候选人——这只是第一阶段临床试验。70 - 80%人类的失败由于缺乏临床疗效或毒性的。¹临床试验之前,研究人员依赖药物测试候选人如细胞系和疾病模型动物模型。

这两个模型之间的知识差距是巨大的。动物模型是吹捧为对照的临床试验,但它们的限制物种屏障——生理和疾病表现的变化,以及免疫系统和治疗反应的差异,人类和这些模型之间的关系。²他们也昂贵和耗时的繁殖和验证,³尤其是对新疾病的迹象。虽然这些模型提供了一个全面的系统性分析,他们只是不能反映人类的生物。

从病人细胞细胞系,一些有争议的是永生的几十年前,⁴更便宜。然而,这些二维(2 d)组织文化代表性的细胞在体内的行为。细胞系通常用作廉价,快速选择临床前研究但受遗传漂变——随时间累积的基因突变可能导致验证问题。⁵

紧急的三维干细胞领域的文化——俗称瀑样可以覆盖的一些缺点,这些标准的临床疾病模型,使科学家能够研究更深层次的研究问题。本文还探讨了瀑样的世界,他们的好处和局限性,他们可能会在未来发挥作用的疾病模型。

瀑样的概述

瀑样三维(3 d)在体外细胞培养生产从病人或donor-derived干细胞。他们自组织,根据目标瀑样类型区分,类似“mini-organ”。虽然瀑样生物学反映了原始组织,瀑样不复制其物理解剖学、瀑样一般也不具备细胞会出现在病人或捐赠组织之外的利益,如免疫细胞或血管组织。

“瀑样”一词来描述三维细胞培养,自组织成不同的组织干细胞。第一瀑样论文发表在2008年,当大脑皮层神经元产生胚胎干细胞和自组织成皮质组织不同的区域。⁶随后不久肠道瀑样从多功能肠道成体干细胞生成(对asc)铺平了道路创造patient-derived瀑样。⁷从那时起,瀑样为各种各样的其他组织,包括肺、肝、脑和胰腺,创建了。⁸

做一个瀑样依赖于一个支架来帮助干细胞组织本身没有身体的结缔组织。尼古拉斯博士的胡闹,肠道瀑样的专家和研究员诺丁汉大学的医学院,解释道:“因为他们是三维模型,需要物质的支持以同样的方式,其余的你的身体。如果你尝试和成长没有支持的三维模型,它只是不能开发和死亡。”

瀑样也很脆弱,高度依赖于精确的鸡尾酒生长因子和文化条件来减少压力和维护他们的繁殖能力。

“你也有很多因素,管理他们的扩散,因为这些是干细胞,他们预计会不断增殖非常准确的方式。stem-ness必须控制和促进瀑样的文化,因为重点是他们成长。如果我们不能让更多的人,这个模型只有非常有限的使用,”解释的胡闹。

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干细胞的角色瀑样

干细胞是瀑样的构建块。这些可以作为在最初对asc patient-derived瀑样,或者他们可能是诱导多能干细胞(万能)来源于健康的捐赠者或病人自己。一旦获得干细胞,分化成正确的组织,让他们特定的生长因子,根据不同的目标。一旦分化,这些细胞被嵌入到一个3 d结构。

干细胞分化到目标细胞类型必须精确触发和一些组织更比其他人的分化。Ocana莎拉奎瓦斯博士研究员的诺丁汉大学医学院的工作侧重于肺的瀑样,使用万能。她描述的困难的本质诱导这些细胞进入正确的分化。

“当你想要复制内胚层,内在身体的一部分,模仿胚胎发展过程,你需要仔细调整生长因子的浓度和严格调整信号提供给细胞。否则,细胞遵循自己的自然对肠等器官,肝脏和胰腺。你总是必须使细胞通路,在我们的案例中,肺。”

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瀑样和操纵基因

一个病人的遗传背景中扮演一个重要的角色在特定的疾病。在patient-derived瀑样,这个背景是编码在瀑样和基因改造工具可以帮助研究人员揭示了遗传学可能隐藏角色在某些疾病,如特发性肺纤维化Ocana博士的研究现状。

“我们有患者样本,我们已经重新编程诱导多能干细胞,然后分化成肺瀑样。我们试图寻找是否有影响的遗传学发展这种毁灭性的疾病,如果我们可以预测某些遗传特性将使病人遭受这种疾病在以后的生活中,“Ocana说。

遗传操作是打开门用于创建新模型的单基因疾病。Ocana此前研究模型,其中一个单基因疾病,囊性纤维化肺虚弱的状态。

“有很多突变基因都可以导致囊性纤维化。囊性纤维化瀑样是第一瀑样后不久。拥有正确的培养条件,因为你只有一次玩一个基因,我们可以在实验室里产生瀑样概括患者特定的症状,”她说。

这些模型比动物模型快速生成,因为它们patient-derived,治疗更具体的测试。

灌装2 d和之间的差距在活的有机体内疾病模型

目前疾病模型之间的差距细胞株和动物模型是特别大。然而,瀑样可以提供两种类型的疾病模型的优点。

“瀑样有一个独特的地位在生物化学、医药研究和遗传建模的,因为你可以直接来自病人,特别是从患者显著的遗传疾病,然后种植它们精确地在实验室,这些瀑样准确反映药物或基因异常的患者。他们是非常有用的工具,将这个巨大的差距我们有在我们的研究方法,”说的胡闹。

超出目标的发现和疾病研究,这些模型可以用于新药的临床前测试,甚至决定当前病人最好的治疗。

“假设,如果我从患者的结肠直肠癌肠瀑样生长细胞,我可以增长很多这些patient-derived瀑样在实验室里,然后用50个不同的化疗药物治疗。无论化疗产生最好的结果瀑样在病人可能会有相似的结果。代替一个肿瘤治疗的所有这些不同的化疗患者反应不能准确地预测,我可以增长瀑样,找出哪些10药物是最有可能的工作,并对肿瘤学家说不要担心其他的,说:“从这些开始胡闹。

开创性工作在瀑样囊性纤维化有加速治疗研究——突破已经被应用在发展中使用这些细胞治疗方案的工具。一个新类的药物称为雌性生殖道调节器,当测试patient-derived瀑样,确定哪些药物组合最适合个别病人不需要冗长的动物模型测试。⁹

“这是其中的一个场景瀑样已经完成革命我们如何治疗病人和方法的新的临床试验。所有这些研究就不可能通过动物模型,因为它需要更多的资源和时间。他们不会得到病人的时间,“Ocana博士说。

三维细胞培养未来的疾病建模?

瀑样模型似乎提供更多实用和有价值的见解比简单的二维信息在体外细胞培养,在最好的情况下,甚至可以取代某些昂贵或耗时的动物模型用于诊断和治疗。但是这项技术面临的挑战。产生一个瀑样依赖许多微妙的步骤之间并不总是标准化实验室,和似乎鲜有共识如何做这件事。

“我们在的时候,我们是否应该标准化系统,让每个人都会使用的优势完全相同的条件下,或不允许这种可变性是否会阻止或防止进一步发展并可能达到更好的条件是仍在讨论中的字段,“Ocana说。

然而,瀑样模型可能在疾病建模工具包,即使他们不能复制动物系统。

“这真是研究问题。三维细胞培养允许您捕获不同的细胞类型,代表人类生理比2 d的文化。如果我们比较在活的有机体内动物模型,它是一个辅助工具。一样我们要模仿体内会发生什么,尽管在这个领域非常有前途的进步,瀑样不会有相同的复杂性来复制一个整体动物,例如,在毒理学方面“Ocana补充道。

在这样一个时代,生物越来越多学科——重叠的机器学习领域,基因组学和科学数据作为补充的支柱——瀑样的视觉疾病建模可能会彻底改变了研究者的理解和治疗的方式在人类复杂疾病迹象。

引用

1。年代联合国D高W,胡W,周美国为什么90%的临床药物开发失败和如何提高吗?Pharmaceutica学报B。2022;在出版社。doi:10.1016 / j.apsb.2022.02.002。

2。英镑P, Ram r .正在研究人员远离动物模型由于贫穷中风临床领域的翻译?论文的分析意见。BMJ开放科学。2020;4:e100041。doi:10.1136 / bmjos - 2019 - 100041。

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4所示。Beskow LM。海拉细胞教训:biospecimens的伦理和政策。为基因组学哼麝猫。2016;17:395 - 417。doi:10.1146 / annurev -染色体组083115 - 022536。

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6。渡边Eiraku M, K, Matsuo-Takasaki M,等。自组织形成极化皮质组织操纵的ESCs及其活性外在的信号。细胞干细胞。杂志2008;3 (5):519 - 532。doi:10.1016 / j.stem.2008.09.002。

7所示。佐藤T,弗里斯R, Snippert H,等。单一Lgr5就干细胞构建crypt-villus结构在体外间充质利基。大自然。2009;459:262 - 265。doi:10.1038 / nature07935。

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9。Dekkers摩根富林明,Wiegerinck CL等。CFTR功能检测试验用主要囊性纤维化肠道瀑样。Nat地中海。2013;19 (7):939 - 45。doi:10.1038 / nm.3201。