先进的建模使用培养的细胞对生物医学研究人类疾病,铺平了道路发展的新的诊断和治疗。
有效的疾病模型是生物医学研究的一个基本工具,为科学家提供实验系统研究基础的细胞和分子机制不同的疾病和开发新的方法来预防和治疗他们。传统上,模拟人类疾病动物模型已经非常宝贵的工具,但相当大的发展,遗传和生理差异物种之间可能会有问题。
“你可以学习很多人类生物学在动物模型中,因为它们共享机制的进化,”说Paola ArlottaGolub家庭干细胞和再生在哈佛大学细胞生物学教授,美国。“但我们的细胞也表现出许多功能我们物种特有的——例如,人类的大脑是非常不同的老鼠大脑。”
但由于最近的进步细胞建模——包括人类多能干细胞的可用性(已经)基因组编辑和3 d瀑样文化——研究人员正在产生越来越复杂的细胞系统,可以帮助克服的一些动物模型的局限性。
“有些事情,我们不能确定人类的相关性没有看细胞,”说梅勒妮Alpaugh加拿大圭尔夫大学的助理教授。“很多我的工作重点是试图从动物模型验证结果使用的系统接近的病人发生了什么。”
这些下一代细胞模型是帮助推进的理解疾病机制,提高药物发现和开发,还提供个性化医疗的可能改变未来。
细胞培养的简史
的第一个细胞培养技术是一个多世纪以前,帮助改变生物医学研究。这个过程被定义为从一个有机体的细胞,培养他们一种人工环境,支持他们的成长。这些细胞可以直接收集从一个组织,或者来自一个确立细胞株。最常用的细胞系,如永生化细胞——本质上允许无限供应的材料实验。
“细胞系来源于癌细胞有优势,他们容易处理,“Alpaugh说。“但是他们远离健康的身体你会看到什么。”
主细胞——直接从有机体被孤立——更接近生理层面的组织利益和提供一个良好的模型为研究细胞如何将函数在一个更现实的背景。然而,他们的缺点包括有限的寿命,他们可以更加困难比永生化细胞系文化和维护。
“他们可以让你更接近体内发生了什么,但他们并不相同,他们更昂贵的和具有挑战性的工作,“Alpaugh说。”,对于特定的细胞类型,如神经元,很难找到的这些人类,他们不能连续生长在文化”。
干细胞技术
细胞重编程的最新进展了疾病建模使用的新时代人类胚胎干细胞(ES细胞)或诱导已经被(万能)。这些细胞具有无限的自我更新能力和分化成任何细胞类型的潜力——包括人类神经细胞,促进建模影响中枢神经系统的疾病,如亨廷顿氏舞蹈症、老年痴呆症和精神分裂症。
“我用人类细胞则产生星形胶质细胞,神经细胞和内皮细胞,然后我们可以混合和匹配这些在一起,了解他们如何互动,”描述Alpaugh。“你可以生成这些健康的成年捐助者或病人,使我们能够研究这些细胞如何在不同健康和疾病状态。”
应用基因组编辑,尤其是CRISPR-Cas9技术进一步扩展,万能的潜力,使特定的基因改变(如插入、删除或替换一个DNA序列)与特定疾病相关。这种方法还允许基因匹配的生成(同基因的)对不同的致病突变。
“这些提供一个非常强大的工具为研究疾病相关基因突变的影响,忽略所有其他遗传变异性,“Alpaugh解释道。
研究人员还可以执行CRISPR筛选快速分析的功能影响成千上万的基因变化则在一个单一的实验。
大脑的化身
近年来,3 d瀑样——微型organ-like模型通常来源于人类已经——已经成为一个强大的系统之间的桥梁动物模型和人类。这样的模型现在已经为许多不同的器官和生成不同的复杂性,但通常由几个细胞类型和具有高度的自组织。因为他们认为相似结构,生理和人体组织的微环境特征和模仿,在某种程度上,器官功能——瀑样是一个优秀的模型,从发育生物学应用程序生成个性化医疗。
“生成人类大脑的能力瀑样革命性地改变了我们研究人类大脑发育,以及它是如何受到疾病的影响,“Arlotta说。
这些瀑样——或“大脑化身”提供一个窗口到人类大脑发展的早期阶段,以前无法访问。这使得它可以研究这个复杂的神经发育和神经退行性疾病的疾病过程,这是人类的上下文。
“在早期,每一瀑样是一个雪花——所以我们必须确保我们能控制他们的发展这是可再生的,”反映了Arlotta。“我们还需要找出如何种植他们很长一段时间——因为人类大脑的形成的速度非常慢。”
无数的变化这些瀑样模型已经被开发出来,它是现在基本上可以概括每个人类大脑的一部分。研究人员可以使用这些来研究遗传风险变量的影响在培养皿中与特定疾病相关,甚至可以在特定的基因背景模型疾病从patient-derived万能干细胞生成瀑样。
“我感兴趣的自闭症谱系障碍,已经有成千上万的基因变异与此相关病理,但没有人知道这些基因是如何工作的,“Arlotta解释道。“我们使用瀑样模型来找出什么类型的细胞的影响,定义的事件发生在大脑发育之后引起的疾病表型。”
最近的技术进步,包括单细胞测序,使研究人员可以研究属性、功能和蜂窝网络,在这些小的大脑前所未有的细节。Arlotta的团队也开发人脑chimeroids由细胞从几个不同的人,让他们去调查inter-individual大脑发育和疾病的变化在一个单一的实验。
“我们可以想象未来的能力扩大这些系统将提供许多激动人心的新机遇,如改进的药物筛选和个性化医疗、“Arlotta说。
疾病建模中的一个新时代
近几十年来,发展更好的理解背后的分子改变不同的疾病导致许多突破各种人类疾病的诊断和治疗,包括有针对性的抗癌药物和精密的基因疗法。但获得新的见解其他疾病进展有限,研究人员目前正在关注细胞系统能够比现有的更好的概括人类发展更紧密地和病理模型。
“我喜欢处理细胞,因为有这么多的你可以做,有那么多房间尝试新事物并混合和匹配,扩大到不同的领域,“Alpaugh兴奋地说。
日益复杂的系统,如3 d瀑样,变得无价的疾病模型,特别是对研究器官之前缺乏相关的模型。
“这些细胞系统给我们提供了一扇门进入人类大脑,我们以前从未有过。他们提供的潜力完全改变我们如何发展疗法和理解我们的大脑是怎样制成的作品,”Arlotta总结道。“我发现非常令人兴奋的。”
