莎拉河中沙洲
(一)扫描电镜图像的3 d印刷polyHIPE脚手架和(B)人类间充质干细胞生长的共焦图像3 d印刷polyHIPE脚手架(蓝色:细胞核、红色:肌动蛋白丝)。照片由弗雷德里克博士Claeyssens,谢菲尔德大学。
介绍
三维细胞培养将占主导地位在体外人类疾病的研究和开发,特别是新药发现和毒理学。已经有了巨大的进步在过去十年增加的复杂性和复杂3 d在体外并行模型开发的实验室。我们见证了一个行业的增长的公司提供广泛的细胞类型、设备、方法和专业知识的三维细胞培养以及现成的模型系统进行测试。
现在三维细胞培养的应用范围从基本的细胞生物学研究使用简单的静态三维单一栽培到复杂的多细胞组织和系统灌注的媒体文化,模仿在活的有机体内等价物组织学检查以及越来越多的功能。细胞培养变得如此先进,许多研究人员现在关注培养系统,模拟整个器官;微流体正在使用越来越多随着技术变得更容易。
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”结合Lonza和媒体产品的主要细胞,筏子™系统允许研究人员深入了解细胞生物学的洞察力和发现。”三维细胞培养技术的概述
人类的原始资料,组织或细胞直接取自一个病人,为细胞培养提供了最开始的功能与材料,但通常很难获得。人类干细胞,尤其是人类诱导多能干细胞(万能),提供机会文化和分析许多不同的人类细胞类型。干细胞可以经常来自简简单单的皮肤和血液通过重组(高桥等,2007),分化和培养成复杂的3 d,多细胞模型模拟等地区心脏,肝脏,甚至血脑屏障。
组织的结构通常是由离散层不同的细胞类型。越来越多不同的细胞类型在3 d使用户能够创建这样的组织结构在体外。培养允许重建和监测细胞间通讯、细胞迁移动力学和刺激细胞功能和分化。
三维细胞培养系统需要一种方式来建立3 d增长而不是平的增长通常发生在培养容器的表面。在每种情况下的共同目标是复制的空间组织的一群细胞或者组织在体外。科学家通常使用水凝胶,悬浮细胞聚集或支架来实现这一点。支架可以惰性,可生物降解或functionalised,例如肽结合蛋白等。3 d支持是由生物学在调查中选择和应用。
Stefan Przyborski教授开发了三维细胞培养支架材料Alvetex克服他经验而开发的挑战在体外组织模型的研究。他创立了该公司在2002年Reinnervate为了商业化Alvetex和装备研究社区工具、试剂和方法需要建立和运行三维细胞培养在实验室(www.reinnervate.com)。
Alvetex是多孔聚苯乙烯膜,使培养细胞保持其自然的3 d结构,防止细胞压扁,形成单层二维(2 d)作为传统的细胞培养经验丰富的烧瓶和培养皿”。
“我们理解细胞生物学和分子机制,控制细胞生长,分化和功能在健康和疾病是研究细胞培养的结果平聚苯乙烯基质在烧瓶和菜肴。然而,在这样的环境中,组织架构是丢失,减少信息交互,和细胞异常适应他们的二维(2 d)周围被压扁和改变他们的基因转录、蛋白质翻译和功能表型。相比之下,三维(3 d)文化更像是细胞在实际组织和结果显示显著增强结构和功能(骑士& Przyborski 2014)。
Alvetex已用于许多不同的应用程序;例如最近的一项研究报道了人工气道模型的三维重建研究感染(马拉佐et al。2016)。Przyborski教授发表了一篇优秀的3 d细胞培养的主题(骑士& Przyborski, 2014),并写了一本书旨在成为一个用户的三维细胞培养技术指南。这本书,定于今年晚些时候发布,将包含学费和信息从供应商的三维细胞培养技术展示什么是可用的,它可以访问它的位置和广泛应用。
三维细胞培养药物发现和毒理学
大量的时间和金钱是由药物开发投资公司找到新的目标化合物和分析这些新药物的安全性和有效性的药物开发管道。在这个管道,在体外模型使用人体细胞和组织培养是关键的系统分析工具。
尽管几十年的经验设计安全有效的药物开发管道,过程仍然断开,缓慢,容易失败。动物模型使用但最终他们不是人类,也有伦理问题涉及其使用。英国政府倾斜支持,无动物技术的对英国的保守技术路线图(由英国创新,制定并公布英国创新机构)。这包括视觉使用的有关保守技术包括复杂的三维组织模型、机关芯片,干细胞平台,在网上工具和细胞成像方法的一系列时间延伸到2030年。NC3Rs (www.nc3rs.org.uk)是一个英国的科学组织积极参与这个过程和致力于取代,炼油和减少使用动物研究和测试(3 rs)。3 r原则强调开发替代性方法在科学研究的重要性,这不仅避免了使用动物,但更紧密地反映出人类生物学更可靠的数据。
在体外模型需要特别是在药物开发的早期阶段,目标化合物鉴定和毒性测试。2 d细胞培养很有帮助在体外药物开发多年,和他们的应用程序中使用的技术已经很成熟,完善和丰富。
然而,公司正在寻求增加三维细胞培养检测增加的表语精度目标屏幕。他们希望看到这些分子的实际影响一个复制了的模型在活的有机体内场景尽可能。尽管目前它更困难也更昂贵的进行常规细胞培养分析,产生的数据是有价值的在这两个药物发现管道的短期和长期。
它是一个巨大的跳跃离开的验证和合格的化验已经用于高通量为了把新的。公司克服这个障碍,验证新平台与少数分子已经被识别和特征。有许多公司存在执行这个函数的3 d系统已经建立和执行测试的化合物。
此外,商用的主要来源细胞或细胞则,如Axol生物科学所提供的模式,现在帮助科学家开发在体外模型实现实验的一致性,减少批量错误和提高再现性在一系列应用程序包括3 d文化。
OrganDots——一个organotypic 3 d组织培养研究和药物开发平台
伊丽莎白。布莱克威尔教授Lars Sundstrom健康研究所,布里斯托尔大学,教授和他的合作者Luc Stoppini应用科学大学的HES-SO和SCAHT西方瑞士,已经创建了一个在日内瓦organotypic 3 d组织培养药物开发称为OrganDots (Sundstrom平台等,2012)。OrganDots使用一个三维微观组织形成气液界面文化系统。干细胞或主要组织得到分离成单个细胞,这些细胞被镀成包含小,半透膜,然后培养生产重组多细胞点模仿他们来自的器官组织。Organotypic文化发展以这种方式被证明比2 d文化有更好的生存能力。
“二维培养细胞只能持续有限的时间;药物发现和毒性测试需要一个可持续发展的系统,您可以与时间的交互。Sundstrom教授
在最近的一项研究来自Sundstrom和他的合作者(罗等,2013)直接将人类胎儿肝细胞的生长与传统2 d三明治文化与气液界面膜3 d文化。在研究3 d文化还活着后28天,自我组织的证据。
OrganDots的应用程序的另一个例子是代CardioDots从丰富拟胚体。培养2 - 4周后,CardioDots击败自发很大和很容易衡量的频率和振幅。CardioDots提供的关键系统在体外毒理学测试模型对钠通道阻滞剂,钙通道阻滞剂和钾通道阻滞剂关键元素的毒性测试。
Sundstrom和他的同事最近也开发了一种中枢神经系统模型,运用三维细胞培养。有一个特别需要健壮的中枢神经系统在体外模型作为最不工作在高吞吐量。集团能够形成一个stimulatable三明治文化像一个“mini-brain”可以有效地替代动物癫痫模型,允许测试测试化合物的剧烈影响。
工作正在追求Stoppini开发Organ-on-a-chip技术的实验室,这是3 d的融合与微流体细胞培养的多种细胞类型,和Stoppini教授是这项工作的最前沿OrganDots结合微流控灌流系统。
一个3 d在体外骨模型研究骨质疏松症
弗雷德里克博士Claeyssens谢菲尔德大学的教授和他的团队正在开发新材料和结构三维细胞培养和组织工程。他们的工作应用在神经再生,角膜修复和最近在发展中骨组织工程支架3 d在体外模型来研究骨质疏松症。骨细胞培养和矿化acrylate-based polyHIPE(聚合高内部阶段乳剂)脚手架,然后用于研究骨质疏松症的元素,如雌激素撤退的影响(欧文et al。,2016)。
臀部通常乳剂的水滴被合适的疏水单体的薄膜。在设定条件下这些聚合形成polyHIPE然后干——生成脚手架材料。产生的支架的抗拉强度可调高度弹性脆性通过选择polyHIPEs单体的生产。材料/生产过程允许孔隙度和连通性的严格控制和调优。支架涂以等离子体辅助细胞附着和增长。Styrene-based polyHIPEs是所用的基材Alvetex Reinnervate产生的支架。
Claeyssens的工作,这些乳剂用作激光树脂支架的3 d打印(约翰逊et al。,2013)。通过这个制造路线固有的微孔支架可以生产,但宏观结构的3 d印刷过程。随后这些3 d印刷泡沫可以用作高表面积为细胞培养基质。与莱利博士合作(谢菲尔德大学),人类间充质干细胞生长到这些支架。这些un-differentiated干细胞分化成成骨细胞使用介质和选定的分化生长因子。经过15天的培养细胞增长被认为整个支架包括脚手架,使用共焦三维显微镜观察。有趣的是,最初的结果表明,这些polyHIPE脚手架生成和基质支持不仅造骨细胞也osteocyte-specific增长,一些非常难实现的在体外。
该组织正在使用这些模型系统研究某些药物对成骨细胞和破骨细胞活性的影响。该组织也在寻找使用骨细胞培养polyHIPE微球用作注射支架用于治疗骨骼病变。
当前三维细胞培养的挑战
虽然三维细胞培养已经走过了一段很长的路它远非完美,还需要更多的研究和主流。未来可能在于目前面临的挑战。
“附加3 d文化面临的挑战是细胞死亡和/或不受控制的细胞的变化更复杂(异形的)3 d细胞微环境。水凝胶等一些3 d矩阵有机和有机杂质可能引入文化系统导致批量变化和不一致的结果。人工合成物等非降解多孔聚苯乙烯(PS)和聚已酸内酯(PCL)可能克服这些问题。然而,这些并不是没有自己的局限性如能够查询功能状态的细胞阻碍immunofluorescent染色,发光或吸光度读数。
实验台的三维细胞培养系统进化和适应或比例增大的自动化和高通量筛选的应用程序。微流体在这方面越来越重要。它们的使用可以减少细胞剪切应力和援助气体的传播,营养物质和细胞废物,同时保持生理功能(如跳动的心肌细胞球状体),确保细胞仍服从分析评估如钙信号,收缩性,电生理学。3 d文化也塑造当前技术用于监测肿瘤生长在细胞入侵检测和治疗中使用水凝胶封装细胞病人。保罗•贝罗博士Axol生物科学
完整的人类表皮厚度模型使用主要生成人类角质细胞(Axol生物科学)培养
什么可能与三维细胞培养在未来?
改进抗病毒药物开发
有很高比例的病人发病率由于二次病毒感染(尤其是诺瓦克病毒、轮状病毒),我们没有有效的治疗方法。以前,这些临床病毒株一直顽固的然而,在2 d细胞培养可以传播这些3 d宿主细胞。汉斯聪明是开创性的激动人心的工作分成LGR5就+“干细胞”,能够得到肠道,大脑、肺、胰腺和其他3 d瀑样。这开辟了途径为研究病毒生物学或病因不仅在板凳上,而且在扩大“3 d”细胞抗病毒药物发现和毒性测试”。保罗•贝罗博士Axol生物科学
增加复杂性
将来我们会看到创建的组织结构不断增长的复杂性。虽然现在可以层和/或培养一些细胞类型系统仍然是相当简单的。灌注到细胞培养系统的引入将会改进。的细胞和组织灌注通常包围,由于附近的毛细血管床和脉管系统和组织环境影响。我们开始包括起始培养细胞之外的其他细胞类型。比如说皮肤,以及表皮、真皮和基底膜,在未来的研究人员正在致力于引入更多细胞等免疫细胞,黑色素细胞和内皮细胞”。Stefan Przyborski教授,Reinnervate
增加了吞吐量
“未来3 d细胞培养很可能变得更加高通量,让系统更小,更健壮、更可再生的。这将是特别有吸引力的大规模药物发现管道。还会有平行开发的技术进步与三维细胞培养支持什么是可能的。这将是工程师和那些能适应体外细胞/组织化验分析方法。例如,显微镜领域的发展在细胞成像作为一个2 d mono层和现在的问题是我们如何图像生成3 d组织系统。显微镜没有传统上被用来做的Stefan Przyborski教授,Reinnervate
的质量和多样性使用3 d现在进行的研究在体外细胞培养模型是惊人的。尽管仍有工作要做翻译实验室规模模型系统为强劲,replicatable高通量系统常规分析我们可以预期的验证和使用更大范围的分析和改善预测精度为药物开发和毒理学在不久的将来。
莎拉河中沙洲是一个自由作家住在剑桥,英国。
引用
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