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利用3D體外腫瘤學模型促進藥物發現

2018-08-17

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盡管臨床前2D體外模型的測試結果令人滿意,但依然有高達95%的抗癌新藥最終在臨床試驗中失敗。在體內能夠更好地模擬腫瘤生物學的新模型可以有效促進藥物的研究進展。

本文著眼于先進的3D體外模型,包括腫瘤球體和類器官。

為什么2D體外模型不容易轉移?

目前,藥物主要通過細胞培養進行研發,這提高了臨床前腫瘤學研究的速度和效率。在平皿上培養細胞可以培育2D單層。當細胞在表面擴散時,細胞受到額外的壓力,并且它們不參與有效的細胞間相互作用及細胞與基質相互作用。

這些因素會影響基因表達和蛋白質功能。此外,腫瘤細胞系的傳代數越高,遺傳畸變越大。另外,對培養條件高度敏感的陽性克隆選擇導致了細胞系異質性。

由此產生了一個問題,即 2D細胞培養模型是否能夠代表相應的原位腫瘤?如果無法代表相應的原位腫瘤,是否導致體內轉化不良?

是否有更好的體外實驗方法促進腫瘤藥物的研發?

更有效的3D體外模型

最近推出的3D細胞培養,能更好地模擬體內異質性、天然組織結構以及對治療的響應。

“3D細胞培養”包括腫瘤球狀體和3D結構,這兩種技術之間存在顯著差異。

腫瘤球狀體

腫瘤球狀體是腫瘤細胞的球形聚集體,他們可自組織和自我更新。它們可能來源于腫瘤細胞系、患者衍生的腫瘤細胞或腫瘤干細胞的單細胞懸浮液。

充分利用腫瘤球體的檢測方法是3D腫瘤生長檢測(3D TGA),這是一個成熟的腫瘤藥物開發平臺。3D TGA提供的培養條件比2D培養更接近人類狀況。

在該測定中,腫瘤細胞被嵌入到一個低硬度、富含層粘連蛋白的細胞外基質中。人類間質干細胞和患者來源的腫瘤相關成纖維細胞也可包括在共培養物中。這樣的培養方式提供了存在于實體瘤的腫瘤微環境(TME)中的旁分泌信號。

3D TGA添加了激素(例如DHT / E2),葡萄糖限制在≤7mM,維持的pH為6.8。 提供了“人源化”的3D分析方法,用于分析PDX衍生細胞和藥物。

研究表明,在3D TGA中對抗癌藥物的反應與體內藥效以及預期的臨床結果之間存在相關性。

腫瘤類器官

類器官是在試管中培養的小型3D版本的器官。特別是腫瘤器官,是通過新鮮組織檢查獲得的原發性腫瘤組織的三維模型。

類器官可從干細胞或原代組織(收瘤或活組織檢查)產生。干細胞可以是胚胎干細胞(ESCs),也可以是誘導多能干細胞(iPSC),其自我更新和分化特性得以產生幾乎包含任何細胞類型的類器官。

通過將原始腫瘤切片或酶消化成小塊來產生類器官。然后與3D球體測定類似,將細胞包埋在基底膜基質中,例如Matrigel TM或其他膠原,其中含有信號化學物質的混合物以驅動形成所需的類器官。

或者,干細胞可以分化成特定的細胞類型,然后在成熟后植入一個特定的3D環境中。

什么是類器官?

根據Lancaster和Knoblich的判斷,需要滿足以下:/p>

  • 多器官特定細胞類型:類器官必須包含不止一種細胞類型的器官
  • 類器官必須能夠表現出某些特定器官的功能(如代謝、神經活動、收縮)
  • 細胞應與器官類似

類器官代表著越來越多的不同器官。如今已有:肺、胃、胰腺、大腦、眼睛、肝臟、皮膚等更多腫瘤組織。

大量的出版物表明,類器官再現了腫瘤的異質性——保留了原發性腫瘤的分子特征,包括基因組和轉錄的改變。

Sachs等人最近的一項研究從155個腫瘤中提取了95個乳腺癌類器官。基因表達分析顯示,類器官表現出乳腺癌亞型的代表性基因表達譜。還保留了類器官形態,并與原始腫瘤的組織病理學,激素受體和HER2狀態相匹配。

該研究表明類器官腫瘤模型可用于藥物研發和轉化醫學。

器官芯片

在體外研究中的一個熱門話題是在芯片上模擬人體器官,用物理和化學的方法,用微流體設備技術模擬體外環境。

除了模仿組織或器官的3D結構外,器官芯片可以更準確地反映出生理條件和結構微環境,在體外試驗中提供更多的預測。

多種器官和組織,如肺、肝、腎、腸等,已被復制為體外模型,并廣泛應用于腫瘤芯片技術。

總結

3D體外模型,如腫瘤球狀體和類器官,為腫瘤研究、免疫治療研究和藥物篩選提供了新的研究方法。

Topics: Oncology

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