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類器官與球狀體有何不同?

2020-02-26

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探索類器官和球狀體(建立3D細胞培養系統的最常用方法)之間的異同。

建立3D培養的體外方法

2D單層細胞培養一直是藥物研發的主要手段,但對于某些應用而言,它們并非理想選擇。例如,它們在細胞微環境發揮至關重要作用的疾病(如癌癥)建模中的作用較小。因此,科學家們多年來一直致力于開發3D培養系統, 以更好地體現體內細胞反應,包括預測藥物反應

現在有建立3D細胞培養的多種選擇。為每項研究選擇正確的方法取決于細胞的性質和來源、實驗目的以及研究課題。

基于支架與無支架的培養

通常,3D細胞培養系統可大致分為基于支架的系統或無支架系統,兩種系統各有優缺點:

  • 基于支架的系統使用天然或合成材料作為種子細胞聚集、增殖和遷移的支撐,最終生成3D結構。

  • 無支架系統依賴于通過專門的培養皿或阻止細胞附著的物理參數來促進細胞的自聚集。

對于3D培養,無支架系統可能是首選,因為它們沒有外源性結構來阻止藥物或生長因子傳遞。但是,在無支架系統上形成的3D結構的尺寸往往不規則,并且在沒有支架的情況下某些細胞類型根本不會聚集。

基于支架的系統可以更好地控制形成微結構的設計和架構。所使用的支持基質也可以進行功能化以更好地在體內復制細胞環境。務必注意,支架本身可以吸附測試化合物,這需要作為因素納入藥理學研究中。

使用的兩個最突出的3D細胞結構是類器官(最常在基于支架的系統上生長)和球狀體(在無支架系統上生長)。

類器官3D培養

類器官是人體發育和疾病的體外模型。人們通常認為它們是器官的微型版本,并且它們通常顯示出非常精確的微觀解剖結構。目前已經為許多器官類型建立了類器官,包括(但不限于)小腸和大腸、肺、腦、肝、胃、腎和視網膜。

類器官通常來源于單個成體干細胞(aSC)或胚胎干細胞(ESC)。它們也可由誘導性多能干細胞(iPSC)生成,例如皮膚或血細胞,它們已被重新編程為類似胚胎的多能狀態。

為了成功建立類器官,必須仔細考慮不同的可用方案,這些方案因所用干細胞的性質而有所差異。例如,盡管基于iPSC和ESC的類器官利用內源性發育過程,但必須強迫aSC形成類器官Clevers實驗室已通過補充器官特定的生長因子混合物來控制培養環境,從而針對許多器官類型成功實現了這一目標。這些生長因子模擬生理組織自我更新或損傷修復過程中的干細胞巢環境。

不管用于類器官建立的干細胞類型如何,通用環節是使用能夠在體外自我更新和分化為多種譜系的干細胞。這產生了由不同細胞譜系組成的多細胞3D結構,反映了器官的重要結構和功能特性。

球狀體3D培養

球狀體是3D培養物,由單一細胞類型或多細胞混合物產生的細胞聚合物組成。由永生化細胞系、原代細胞或人體組織的片段建立球狀體。低粘附性培養條件用于促進細胞自聚集,形成球形3D結構。

使用不同來源細胞的多細胞混合物形成球狀體時,結果是“器官型培養”,表明體內組織的多細胞方面的繁殖。

通常,球狀體包含細胞層,其中一些暴露在表面上,而另一些則埋在球體內。球狀體是異質的,通常包括增殖性、非增殖性和壞死細胞,這些細胞可以經過良好充氧或缺氧。

類器官和球狀體之間的差異

通常,有兩個主要差異:

  1. 發育動力的性質:內部發育過程推動類器官的形成,而球狀體則主要通過細胞間粘附來發育。

  2. 3D培養可以維持的時長:培養中細胞的長期體外擴增需要不成熟的干細胞種群來補充瀕臨消亡的細胞。類器官來自體外培養過程中的干細胞群并維持此干細胞群,能保證其長期生存能力。這是通過優化培養物生長條件來實現的,例如提供基底膜基質(即Matrigel?)并添加一系列激動劑(例如Wnt和酪氨酸激酶受體)和抑制劑(例如骨形態發生蛋白/轉化生長因子-β)。

重要的是,類器官傳代時,它們會在數代內保留原器官的遺傳學特征。因此,當來源于多種組織類型時,它們可用作離體維持的“生物樣本活庫”。

相比之下,組織來源的球狀體的長期培養具有挑戰性,這可能是由于提取和維持活細胞的固有技術困難導致。

可以從各種健康以及患病的細胞類型和組織(例如患者腫瘤)中產生類器官和球狀體。腫瘤來源的類器官和球狀體已生成,并已廣泛研究用于藥物研發中。但是,由患者來源的腫瘤建立類器官和球狀體存在一些關鍵差異。

患者來源的腫瘤類器官和球狀體

患者來源的腫瘤類器官和球狀體(通常稱為腫瘤球)相對容易建立,并可以用作藥物研發的可靠模型。

腫瘤類器官

患者來源的腫瘤類器官可以更真實地體現癌癥組織中的復雜性,包括存在癌癥干細胞(CSC)及其下游分化程度更高的子代。患者來源的腫瘤類器官的一些關鍵特征包括:

  • 與2D單層和3D球狀體培養相比,它們更真實地模擬患者原發性腫瘤,并有更具異質性的細胞群。通常,經典的2D和3D球狀體培養逐漸富含最能經受連續體外培養的未成熟細胞,失去了與原發性患者腫瘤的相似性。
  • 與患者來源的腫瘤發展一樣,還可以生成健康組織的對應物。這導致可以并排比較同一患者的腫瘤與健康類器官之間的藥物反應。除其他用途外,這有助于預測個體化治療時間窗。
  • 與病人異種移植(PDX)腫瘤模型相比,患者來源的腫瘤類器官的開發更具成本效益,因為它們所需的時間和資源更少。此外,類器官更適合高通量藥物篩選。
  • 目前已經證明它們可以在臨床中有效預測患者的藥物反應

患者來源的腫瘤類器官的一個局限性在于它們可能缺乏復雜的體內系統中存在的器官間通訊。這會影響腫瘤的生長和治療反應。特別重要的是補充到腫瘤微環境的免疫細胞,尤其是免疫治療學的最新進展。目前正在進行研究工作以優化類器官和免疫細胞的共培養方案。

腫瘤球

腫瘤球是獨立于錨定的(漂浮)球,經常用于評估體外CSC相關特征。腫瘤球的關鍵特性包括:

  • 它們包含大量具有高復制潛力的低分化細胞。此特性讓人想起體內CSC的特征,使腫瘤球成為CSC擴增的良好模型。
  • 它們是無性系的,易于維持,并且易于遺傳操作。這使它們非常適合高通量藥物篩選(例如,篩選專門靶向CSC的藥物)。
  • 與2D單層培養相比,腫瘤球能更準確地反映臨床耐藥特性,但是,它們的 反應特性會隨著傳代的發展而演變,因此失去了可預測性。

當特異性尋找模擬異體原發腫瘤時,腫瘤球培養物中高比例的CSC也可以被認為是一種限制。腫瘤球的組織學特征通常與其起源的原發癌幾乎沒有相似之處。

總結

3D細胞培養系統可以更好地體現體內細胞微環境,這在確定細胞對外源因子(例如藥物)的反應中發揮著重要作用。類器官和球狀體是兩個最突出的3D細胞結構,了解兩個系統之間的關鍵差異為選擇正確的方法提供了最佳機會。

球狀體是更傳統的3D系統,與2D培養物相比能更好地體現體內特征,并提供了一個簡單易用的平臺來評估CSC特性和靶向藥物。

如果您需要使用3D系統獲得更多原器官生理學相關性,則類器官更適用。來源于多種干細胞類型的類器官適用于健康和疾病組織的長期體外培養,提供干細胞和分化子代的異質培養。可以擴增類器官以獲得組織的生物樣本活庫,并且疾病特異性類器官(例如源自患者腫瘤)有許多藥物研發應用,包括預測患者反應。

Topics: Oncology

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