这篇文章包括了一些有待同行评议的研究发现。因此，结果被认为是初步的，应这样解释。了解同行评议过程在研究中的作用在这里．如需进一步信息，请联系所引用的来源。
的进步三维组织培养使生物学家能够研究细胞生长和相互作用，这是传统的二维组织培养所不可能实现的。生长在2D薄片上的细胞系为我们目前对不同细胞和组织的大部分知识奠定了基础，并被广泛应用于从疾病建模到药物筛选。然而，在2D中生长的细胞所能揭示的东西是有限的，研究人员现在正寻求突破生物工程的界限，创造出更强健地再现健康组织和病变组织复杂性的球体和类器官。我们看看最近的一些进展和应用，以及该领域的发展方向。
类器官的优点和局限性
“定义类器官有三个关键因素，”Katarina Klett解释说，她是一名博士生，正在实验室开发肠道类器官Sarah Heilshorn教授斯坦福大学。“首先，它含有在原生器官中发现的细胞类型，其次，它在某种程度上模仿了器官的原生结构，第三是功能性——对于肠道类器官来说，这可能意味着保持肠道屏障的完整性。”
相比之下，一个球体——在3D中生长的一簇细胞——很可能包含一种单一的细胞类型，通常是一个组织中更不成熟的细胞类型，一旦分化为一组更多样化的细胞类型，就可以被认为是一个类器官。
与2D组织培养相比，使用球体和类器官有许多优点。它们使我们能够研究细胞与细胞之间的相互作用以及细胞与环境之间的相互作用。它们还使研究人员能够重现无法在细胞系中研究的生理学方面——比如细胞如何对环境的变化做出反应，比如硬度，以改变它们的多细胞几何形状。
在Klett的工作中，他们特别感兴趣的是使用类器官来研究肠道结构的不同细胞——从干细胞隐窝到有末端分化细胞的绒毛。“如果我想研究这些细胞在特定位置是如何相互作用的，这在2D模型中做起来真的很有挑战性，我们失去了在类器官中拥有的空间组织，”Klett说。
另一个优势是3D培养可以研究类器官外发生的事情——组织如何与生长环境相互作用?它们也越来越多地被用于研究治疗效果，通过在患者细胞中生长的类器官或球体上进行测试。这两个都是Heilshorn实验室感兴趣的领域，但也有一些限制需要克服。
最大的限制之一是，类器官最常用的底物之一包含许多不同的蛋白质，这使得很难梳理出是什么机械或信号因素在驱动类器官的生物学。此外，在动物源基质中生长的类器官，如小鼠肿瘤，不太可能被批准用于临床应用。
为了解决这一限制，在Heilshorn的实验室里，他们开发了一种生物材料，允许他们仔细调整参数，如刚度、应力松弛率和不同成分的浓度，如细胞粘附肽、精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)。这意味着他们可以优化基质，以最好地支持他们感兴趣的类器官的生长。其中一种生物材料被称为HELP -或透明质酸和弹性蛋白(ELP)。1ELP模仿了我们体内的天然弹性蛋白，但被设计成包含RGD肽序列，使其与细胞相互作用。该序列还包含赖氨酸基团，通过化学修饰与透明质酸结合，”Klett解释说。结果是一种优化的凝胶，可以用于生长肠道类器官，通过微调凝胶，以最佳地支持出芽干细胞。随着细胞的生长，它们可以通过拉动凝胶的动态共价键和释放酶来降解周围的基质来重塑基质。这也支持细胞的分化能力。
尽管如此，类器官距离功能完整的肠道还有一段路要走。“有时我们把肠道类器官称为‘迷你肠道’，”Klett说，“在某些方面，它们确实是，但我不能给这些类器官喂一个汉堡，看着它们经历消化过程——在某种程度上，拥有某种可以处理食物物质的组织会很美好。”我每天都在思考这些限制;这也是我们的动力所在。”
尽管存在局限性，但这些肠道类器官已经被用于一个项目，以帮助了解肠道组织对放射治疗的反应。“在斯坦福大学，我很幸运能与一个研究FLASH辐射的小组合作，与目前临床使用的辐射剂量相比，这种辐射剂量的给予速度更快。我对研究肠道如何再生很感兴趣，类器官为研究辐射如何影响人体组织提供了一个非常好的镜头。”通过对类器官进行照射，然后将它们分离成单个细胞，他们希望确定这些细胞是否仍然有足够的活力来形成类器官。在未来的工作中，利用他们开发的定义矩阵，Klett还希望了解不同的信号或机械线索如何影响这种再生。
3D类器官的无标签实时活细胞分析
类器官技术越来越多地被用于在体外人类发展和疾病的模型，因为他们展示的结构，形态发生和功能性质，概括在活的有机体内病理生理学。然而，健壮地描述和可视化这些模型的技术可能会受到耗时费力的过程和第三方软件的限制。下载此应用程序笔记，以发现解决方案。
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发育球状体和类器官的一套规则
类器官在进一步分化之前，以球体(3D细胞簇)开始生命。事实上，3D球体在反映细胞与其环境之间的复杂相互作用方面具有许多类似于类器官的优势，并且可以概括出肿瘤内缺氧区域或坏死核心等特征。由于这个原因，它们成为研究生物学和药物筛选越来越受欢迎的模型。
“球状体在文献中已经描述了50多年，”他说马修·辛普森昆士兰大学数学教授。“但已经出现了很多新技术，这意味着我们可以回顾现有的球体方法，并提取新的信息。”
辛普森正在使用新颖的成像技术和标记方法以及数学建模来更多地了解球体内细胞的行为，以及这种行为是如何随着营养物质的可用性而变化的。
他们使用一种称为荧光泛素化细胞周期指示器(FUCCI)的平台，该平台标记单个细胞在细胞周期中的位置。利用这个平台，他们可以随着时间的推移跟踪单个细胞和细胞群。辛普森解释说:“我们使用的最复杂的数学建模方法之一是随机模拟，我们跟踪种群中的单个细胞。”“我们从3万个细胞开始，在一个球体中大约相同的数量，我们模拟它们10天。你最终会得到一个非常大的种群，我们可以从这个模拟中生成一个图像，它看起来和你用显微镜看到的真正的球体图像完全一样。”
在一项目前以预印本形式发表的研究中，2＊他们将4D肿瘤球体的生长模拟与实验黑色素瘤球体的生长进行了比较，并使用FUCCI平台进行跟踪。他们发现，得到的数据与实验数据相比很好，并提供了椭球体内营养可用性的定量信息，这在标准的肿瘤椭球体实验中很难测量数据。
在最近的其他研究中，3.，4他们模拟了细胞群而不是单个细胞，以测试球形生长特征是否符合经典理论模型的预测。辛普森说:“我们不是模拟单个细胞，而是根据它们在球体中的位置来表示细胞的密度，因为我们知道，在球体表面有大量氧气的细胞与在球体中心氧气有限的细胞的行为不同。”在一项研究中，他们测试了植入不同初始细胞数量的肿瘤球体是否能长到相同的大小。3.“这是一个极其简单的问题，但从未经过实验验证。然而，几十年前写下的许多数学模型表明，无论初始细胞密度如何，球状体最终都是相同的。”
他们植入了不同数量的黑色素瘤细胞——从2500个到10000个不等——发现球状体生长到相似的大小，这与之前未经测试的预测一致。“我们很高兴地看到，理论家们可能想象的一些非常基本的假设实际上在实验室中被证明是正确的。
另一项研究旨在解决球体生物学的一个主要限制，即可重复性。4辛普森说:“众所周知，在生物学领域进行的实验很难复制，而在工程和物理等其他领域则不是这样，因为数学是用来设计实验的。”“如果你看一下椭球体的文献，实验设计是不稳定的——椭球体生长的时间长短不同，它们从不同的细胞数量开始，一些只测量外径，而另一些也测量坏死的核心。”辛普森和他的同事们开始确定你需要记录多少数据才能从一个球体实验中得到可靠的、可重复的结果。“用实验方法来做这件事将是非常昂贵和耗时的，但有了数学模型，我们知道当别人解决我们的数学方程时，他们会得到完全相同的答案。”
这些模型既可以应用于学术球形研究，也可以为临床和转化环境中使用的球形生物学带来新的见解和一致性。“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经历细胞周期，然后用药物打击它们的想法是非常重要的，”辛普森说。“然后是个性化治疗，临床医生取患者的肿瘤样本，将细胞培养成球状或类器官，然后筛选不同的药物，以找到理想的选择。如果没有人知道生长这些球体的最佳周期是多长，而你生长这些模型的窗口期有限，你就不想浪费这个机会，你想要得到正确的测量结果。”
下一步是开始改变模型中的参数，看看球体的生长模式发生了什么变化。这包括氧含量或添加药物等因素。
在这个阶段的工作仅限于球形，但建模类器官绝对是一个雄心壮志。“当然，我们很乐意这样做，但数学家的操作方式与许多科学家有点不同。大多数科学家希望在他们的实验模型中拥有所有的东西——所有的细胞、营养物质等等。我们从不同的角度来看待这个问题，让我们先试着理解最简单的事情。”
参考文献
1.王晓明，王志强，王志强，等。经过工程设计的基质能够培养人类患者来源的肠道类器官。阿德科学．2021; 8(10): 2004705。doi:10.1002 / advs.202004705
2.郭建平，李志强，李志强，等。实时荧光细胞周期标记4D肿瘤球体的随机数学模型。bioRxiv．预印本于2021年11月29日在线发布。doi:10.1101 / 2021.11.28.470300*预印本
3.黄宁AP，夏普JA，墨菲RJ，等。肿瘤球形结构的定量分析。Elife．2021; 10: e73020。doi:10.7554 / eLife.73020
4.墨菲RJ，布朗宁AP，古纳辛格G，哈斯NK，辛普森MJ。设计和解释四维肿瘤球体实验。Commun杂志．2022; 5(1): 91。doi:10.1038 / s42003 - 022 - 03018 - 3
