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关于3D细胞培养介绍

3D细胞培养

细胞培养包括在人造环境中培养细胞,以研究它们对环境的反应。现在可以发现不同种类的细胞培养物,并且根据其性质和应用,一些细胞培养物可能比其他培养物更适合。

3D细胞培养可以被描述为微组装设备中的活细胞培养,并且支持呈现出模拟组织和器官特异性微结构的三维结构。

1.二维VS三维细胞培养方法

SEM 2D细胞培养图像

SEM 2D细胞培养图像

过去几十年传统上使用2D细胞培养物不仅在体外研究不同的细胞类型而且进行药物筛选和测试。典型地,这种单层系统允许细胞在聚酯或玻璃平坦表面上生长, 呈现供给正在生长的细胞群体的培养基然而,由于其简单性,这种模型不能准确描绘和模拟在体内观察到的丰富的环境和复杂的过程如细胞信号传导,化学或几何。所以,采用二维细胞培养方法收集的数据可能是误导性的,并且在体内应用中无法预测。这就是为什么科学家最近一直在研究三维仿生细胞培养的原因,这种技术更精确地代表细胞能在体内繁殖的实际微环境。

由3D细胞培养产生的新生视网膜

3D细胞培养产生的新生视网膜

正如您可能已经意识到的那样,3D细胞培养存在不同类型,每种培养都提供不同的优点和缺点。与2D细胞培养不同,3D细胞培养通过使用微结构和复杂的环境参数促进细胞分化和组织。事实上,在3D环境中,与在2D环境下生长的细胞相比细胞往往更容易受到形态和生理变化的影响。这主要可以通过结构化作用和指导细胞行为的脚手架的影响来解释。研究人员发现,这种细胞支持的几何和组成不仅可以影响基因表达 还可以增强细胞间通讯。例如,一些促进细胞增殖的基因在3D细胞培养中受到抑制,从而避免了2D细胞培养中遇到的无序增殖。

3D细胞培养也赋予两种不同细胞群同时生长的可能性,这种细胞群能够准确地再现组织内观察到的细胞功能,这不同于基于二维细胞培养的共培养。目标细胞与其他细胞之间存在的相互作用显然是细胞功能的关键因素。这就是为什么研究专注于在癌症中发挥重要作用的基质细胞(器官结缔细胞组织)的原因。最后,使用3D细胞培养可以更容易地控制和监测生长细胞微环境参数 (温度,化学梯度,氧气速率,pH等)在一定程度上保持尽可能接近现实,这要归功于微观工程(微流控技术)。

必须记住,三维细胞培养是一项相对较新的技术,研究人员尚未充分掌握其潜在的现象和影响。不幸的是,这种培养方法存在一些明显的缺点。首先,一些支架基质掺入了可能干扰细胞培养的来自动物或其他不需要的来源(病毒,可溶性因子)的化合物。其他一些基质提供良好的细胞粘附,使细胞清除更加困难。除此之外,虽然3D细胞培养可能是一种节省成本的技术,可能会跳过药物试验中的动物药物测试步骤,但开发自动化和可重复的应用仍然是一个非常昂贵和细致的过程

2D单层细胞培养不同,3D细胞培养是模拟体内细胞行为和组织(形态学和生理学)的更令人满意的模型。装配多层3D细胞结构只能通过使用支架来实现,所述支架是微观组织的细胞支持物,其极大地影响细胞分化和增殖。由于其新颖性,这种技术并不完全理解,因此不容易处理。最后,为改善3D细胞培养所进行的应用开发可能是昂贵的。

2. 3D细胞培养应用

用于组织工程的3D细胞培养

  对于一般或个别患者的使用,三维细胞培养近来已成为组织工程领域的重大突破。事实上,组织再生和重建可能已经极大地益于三维细胞培养,提供解决组织修复的替代方法。

用于组织工程的3D细胞培养

事实上,不使用生物材料,可以在3D培养中使用微结构纤维支架产生人体组织(例如用于皮肤重建的上皮 - 真皮层)。不幸的是,价格可能相当昂贵,并且在某些国家对这种应用的监管尚未明确

尽管如此,3D培养仍然是进行干细胞和细胞分化研究的可靠方法。了解复杂的机制,如成骨细胞如何转变成骨细胞现在是可能的和可重复的。在这种情况下,成骨可以通过表达胶原蛋白I标记除其他干细胞被触发(CBFA-1,碱性磷酸酶,骨粘连蛋白,骨桥蛋白和JNK2)。因此,获得所需特性的细胞可以注射到骨损伤部位,以重建受损组织。

微流体3D细胞培养:器官 芯片

随着允许精确微环境参数控制(微流体)的微流控技术的发展,通过使用促进组织操纵和研究的生物相容性微流控芯片创建长期和受控的3D细胞培养模型。那些芯片上的器官是仿生系统, 通过模仿器官的微观结构,动态力学性质和生化功能来复制活体器官的关键功能。器官芯片通过改进现有方法并带来新的可能性改变了3D细胞培养的方式:

为了更好地复制活体组织和功能,在芯片微通道内建立了由胶原或聚合物基膜制成的微结构。与传统的三维细胞培养不同,这些结构实际上可以重建体内观察到的功能。例如,人类呼吸肺上片是肺泡 - 毛细血管的模型。它集成了一个柔软的聚合物膜,可以像活人肺中一样运动

由于微流体使器官芯片能够在不同的尺度上进行精确的流量控制,灌溉细胞培养物,因此可以在微通道中操作少量流体。因此,有可能通过将细胞所需的营养物质和其他元素制成时空梯度

器官芯片也可以促进创建一个区域化的微流体系统,受控共培养和重建  组织界面。因此,许多疾病模型可以发展:例如,在恶性乳腺癌和脑肿瘤的情况下不同组织类型之间的通信,或当成为侵入性癌症时乳腺癌细胞的行为

这项新技术非常适合挑剔和复杂的三维细胞培养要求。事实上,它有助于仿真组织界面,模拟器官功能,同时彻底监测和调节微环境(化学信号,流体流动,机械现象)。承载三维细胞培养,微通道与穿孔流体混合的孔连接。这些通路由微流体输出设备(流量测量和控制系统)精确控制,以调节微环境中的流量。

通过使用微流控芯片,微通道内的受控细胞生长受到具有足够机械,化学和表面特性的合适支撑由于节省时间的仿生模型,药物开发研究很容易进行,以研究器官尺度或系统尺度多个器官 - 芯片上的人类生理反应。

使用3D细胞培养进行药物测试

使用3D细胞培养进行药物测试

通常使用动物模型进行药物发现研究超过30]。起初,这种做法在制药行业是一项可管理的日常任务。然而,随着时间的推移,药物分子越多,高通量药物筛选就越昂贵,进行这些试验所需的时间也就越长。伴随着这种现象,引发了关于动物药物测试的道德争议,甚至没有很好地将其转化为人类应用。从那以后,3D培养已经在一定程度上解决了这些问题,提供的药物反应非常类似于2D或动物细胞培养中体内发生的情况。

因此,3D细胞培养也可以被描述为药物筛选的一种节约成本/节省时间的培养技术,因为它能在降低药物试验时间的同时使其更精确或有针对性。例如,使用微工程应用(器官芯片),癌症治疗正在变得越来越好,通过更精确地针对特定的细胞类型,确定的生物机制,精确的受体等来提高益处 - 风险平衡。不幸的是,仍然有太多的药物测试由于无进展生存而继续失败。事实上,虽然更接近于体内 三维细胞培养产生的组织和真正的自然组织之间仍然存在差距。

细胞在三维环境中自然生长,成熟和分化。使用3D培养是体外复制这一过程的准确方法。这就是为什么科学家们一直在研究多种细胞类型的原因,包括干细胞,自体细胞,同种异体细胞,异种细胞,祖细胞和多潜能细胞2D单层细胞培养不同,3D细胞培养模型几乎可以完美模拟体内细胞的行为和组织(形态学和生理学)。通过使用支架或无支架方法可以组装多层3D细胞结构 无论是否使用支架,由于细胞连接和可溶性因素,通过直接和间接的相互作用,构成球状体的所得细胞可以在它们自身与基质/支持物之间相互作用。 如今,许多应用如组织工程来源于3D细胞培养,这也有助于通过微流控器官芯片的药物测试的改进。 尽管如此,3D细胞培养科学家们仍然试图克服困难。



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