细胞培养进化-药物发现的革命

几十年来，二维(2D)细胞培养在药物发现和开发过程中一直发挥着重要作用，但近年来，三维(3D)细胞培养因其能够模拟肿瘤而成为中心舞台在活的有机体内更紧密地陈述。在这里，我们来看看细胞培养的演变，3D的兴起，以及该行业从“静态”到“流体”的转变是如何激励下一代的在体外模型——“即插即用”微生理系统。

“原代细胞培养的应用始于20世纪80年代。对于那些在该领域工作的人来说，你可以说细胞培养更多的是一种“好奇心”，而不是一种用于测试药物化合物的强大和可重复的技术，”InSphero首席科学官Armin Wolf教授解释说，“大多数原始应用都来自基础研究。当时，对于生成的数据是否会为制药公司的目标增加价值，制药公司内部没有达成科学共识，也没有信心。”

沃尔夫解释说，起初，药物研发人员显然缺乏标准的操作程序，然而，能够在培养液中培养和测试细胞的事实是一个巨大的里程碑。随着细胞培养技术的出现，现在有可能监测细胞的生长、分化和对各种刺激的反应-包括药物化合物。沃尔夫说:“当我们发现如何在培养皿中从活器官中培养细胞时，细胞培养在药物开发中的应用达到了一个重要的里程碑，这样细胞不仅可以存活，而且还可以治疗它们。”

虽然从这些早期的单层(2D)培养中可以获得一些有意义和可翻译的信息，预期这些系统所能提供的东西远高于它们的实际情况实际上沃尔夫警告说:“随着时间的推移，人们开始明白，培养皿中的细胞——即使它是存活的——在预测培养皿中会发生什么时没有多大帮助在活的有机体内环境”。

“我们很快就了解到2D细胞培养有局限性。”

细胞培养的进展

细胞培养的起源通常与罗斯·哈里森有关，他发明了一种研究技术神经组织生长在体外1907年——100多年前。到20世纪50年代中期，L细胞系(厄尔1948)和人类HeLa细胞系(Gey, 1951)已经建立，这推动了细胞培养能力的发展。

毫无疑问，单层培养是推进细胞研究的基础，Wolf解释说:“然而，当你在培养皿中培养细胞时，它们可能会存活下来，但会失去原有的表型、形态和特定功能。”

“2D环境无法支持复杂的细胞-细胞相互作用和细胞的特定需求，这意味着它们无法维持正确的功能。”

“例如，肝细胞占肝细胞群的80%，在蛋白质、碳水化合物、脂类和胆汁的细胞代谢以及异种生物的解毒中发挥着关键作用。在原生肝脏中，肝细胞具有明显的结构极性，这是活跃胆汁酸摄取和分泌到胆管所必需的。细胞色素P50活性必须很高才能维持药物代谢，然而，在2D细胞培养24小时后，肝细胞的大部分结构和功能特性消失了。”

“它们失去了特定的肝细胞功能，比如代谢异种生物的能力。大约24小时后，由于细胞附着在塑料上，它们会重新排列，看起来更像成纤维细胞。”粘附在塑料上的2D培养细胞由于无法保持其分化状态而采取不可靠的行为。

Wolf谈到了胶原蛋白三明治结构的发展及其对肝细胞分化和功能的影响:“然后我们学习了如何将肝细胞置于胶原蛋白水凝胶“三明治”结构中，在这种结构中，肝细胞在较长时间内保留了大部分细胞功能。这种三明治模型是药物开发的一个进步，但它仍然有局限性。我们无法与其他涉及核心肝功能的细胞类型，即库普弗细胞、内皮细胞和星状细胞(统称为非实质细胞或npc)建立稳定的三维共培养结构。由于药物的非特异性结合，它很难在细胞外基质环境中处理，而且由于实现肝脏生命器官型细胞分布所需的npc的绝对数量，它是昂贵的在体外”。

“该领域的下一个重大里程碑是肝细胞悬挂滴技术的应用，”Wolf解释说。这种方法允许将细胞放置在一滴中，这意味着它们不会与塑料相互作用，从而防止附着在塑料上。通过液滴流体环境中的重力作用，细胞可以重新组装并聚集成紧密包裹的“组织状”球体，这使细胞能够保持更低的温度在活的有机体内例如状态。“通过悬挂滴液，我们可以将npc整合到共培养的肝脏球体中。总的来说，这种方法比三明治文化更具成本效益。”

Wolf强调，在这种特殊的流体重力条件下，先前在粘附在塑料上的2D培养细胞中观察到的表型和形态变化并没有发生:“在悬滴环境中，细胞只与自己建立了接触。”

悬滴中细胞三维球形形成。信贷:InSphero

“总的来说，这种类型的[悬滴]细胞培养比任何类型的2D培养都要好，主要是因为它允许我们成功地将肝细胞与npc共培养。狼说。库普弗细胞对肝脏中的免疫过程很重要，星状细胞对肝脏中发生的纤维化过程也很重要，在某些病理生理条件下。

在体外细胞模型经常被用于确定药物发现研究人员在开发过程早期所做的“停止/前进”决策。更具体地说，它们通过评估药物化合物的毒性和药效学来确定基本安全性。

3D细胞培养的发展凸显了与2D培养相关的一些缺点，例如，细胞形态、受体表达和结构的差异，以及细胞-细胞和细胞外基质信号的缺乏，与“自然”观察到的相比在活的有机体内．

“3D培养不仅能更好地预测毒性，而且能更好地预测治疗效果，”Wolf解释说，这是因为它们能更准确地显示靶组织内细胞的表型。

“很明显，现在我们已经进入了细胞培养的新时代——3D——它的功能更强，形态上更类似于3D在活的有机体内系统。”

微流体-将3D培养转化为生理系统

也许今天3D细胞培养最令人兴奋的发展是应用微流控技术，它可以实现多种组织类型和器官系统之间的相互作用，并允许您在极小的流体样本中成像和分析化学、生物和物理过程。它的能力缩小和优化培养条件使这项技术成为药物发现测试的理想工具。

优势包括:

• 小扩散距离
• 快速反应时间
• 通过小型化实现高通量
• 只需要少量的药物化合物进行测试(有利于保存珍贵/昂贵的样品)

芯片体-连接多个微组织

微流控技术的进步很快导致了“芯片上器官”系统的发展，该系统重现了人体器官的力学和生理反应。这一进展随后激发了人们对“芯片上的身体”的兴趣。在 体外解决方案-设计模拟在活的有机体内 multi-tissue相互作用-帮助专家形成一个更广泛和更全面的理解药物化合物如何在整个身体工作。

“我们之前谈论的系统是静态系统，文化板块，三明治文化，球体-下一代的在体外模型是微生理系统(MPS)——这种类型的系统可以让你培养更长的时间，并增强微组织的能力，”沃尔夫解释说。

沃尔夫谈到了"body-on-a-chip技术:“MPS系统由“连接”的孔组成，在每个孔中，你可以放入一个来自特定器官的显微组织。”

“你可以设计MPS网络来回答特定的科学问题。例如，你可以将肝脏微组织放入一排胰岛微组织中的一个孔中，以创建一个微型代谢系统。然后用这个系统来研究胰岛分泌的胰岛素在葡萄糖刺激下如何影响肝细胞的寿命。”沃尔夫说，MPS的主要好处是，该系统可以被设计和调整，以测试药物开发过程中通常出现的假设类型。

“这是一个理想的平台，我们可以让媒体从一口井流向另一口井。它允许你模仿身体中特定器官之间的对话——它模仿身体的方式使我们能够观察直接一种药物化合物对特定器官及其器官的作用间接对邻近器官的影响，”沃尔夫总结道。

Armin Wolf教授是InSphero的首席科学官，负责监督该公司基于3d细胞的器官芯片、代谢疾病、肿瘤学和毒理学项目。沃尔夫接受了科技网络的科学作家劳拉·伊丽莎白·兰斯顿的采访。188金宝搏备用