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類器官與3D原代細胞培養物有何不同?

2020-03-11

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探索來自健康組織和腫瘤的類器官與3D生長的原代細胞之間的主要差異。

建立3D培養的體外方法

體外系統是基礎研究以及藥物研發的重要工具。從歷史上看,已經使用了常規的2D細胞培養方法,但現在,先進的3D體外培養系統已得到越來越廣泛的應用。

盡管2D培養物在塑料上以扁平單層形式增殖,但3D體外培養允許3D環境中細胞之間進行復雜的空間交互。這更好地體現了體內細胞間接觸和原生理狀況。反過來,這又提供了更相關的微環境,影響細胞進程和治療反應。使用新鮮的原代癌細胞時,3D培養對于提高建立體外模型系統的成功率也很重要。

可以使用臨床的細胞系或組織提供多種3D體外模型選項。由于缺乏2D細胞系可譯性,臨床來源的組織是金標準,并以不同方式用于開發模型研究系統。這包括生成復雜的類器官和3D原代培養物。

由于這兩種模型都是直接從患者組織(包括腫瘤)中生成,因此它們可以更好地反映原組織的遺傳組合和基因表達譜。但是,類器官和3D原代細胞之間存在一些關鍵差異,這些差異會影響每種模型類型的典型應用,下面將對此進行評論。

類器官的關鍵特征

我們之前已經討論過類器官從器官內成體干細胞(ASC)或胚胎干細胞(ESC) 衍生而來的典型方式,以及Hubrecht Organoid Technology(HUB)如何針對健康和患病組織(例如,腫瘤)改善該過程。

簡而言之,類器官是:

  • 自組織——這是類器官的關鍵特征,可導致由干細胞或祖細胞形成多細胞結構,并表現出與體內器官架構的顯著相似性。類器官在生理學方面高度相關,包含多個分化的細胞譜系,這些譜系相互作用并建立細胞間接觸,從而復制體內過程。
  • 基因組穩定——由于類器官來自干細胞,并保持在特定培養條件下,它們體現了原組織的基因組組合,并在多次傳代中顯示出基因組穩定性。
  • 自我更新——這意味著類器官可以增殖和冷凍保存以建立生物樣本庫,并在不影響遺傳同一性的情況下進行復蘇以進行重復研究。

使用HUB技術,可以很容易地生成、擴增和存儲類器官和腫瘤類器官,以及擴大規模以用于包括大規模藥物篩選等藥物開發應用。

腫瘤類器官

腫瘤類器官來自多種來源——臨床患者樣本、病人異種移植腫瘤模型(PDX,在小鼠中生長)以及鼠腫瘤組織。PDX來源的腫瘤類器官被稱為病人異種移植腫瘤類器官(PDXO),為患者組織提供了ASC的替代來源,這在模型開發中可能具有限制性。

由患者腫瘤和PDX形成的腫瘤類器官都保留了原腫瘤形態和遺傳特征,例如基因擴增、體細胞拷貝數和突變。

重要的是,患者相關的腫瘤類器官還可以在臨床中復制患者反應,這為其所有應用增加了高度可譯性。

PDXO的其他優點包括快速開發多種癌癥類型、亞型的大量模型,以及現有大量PDX模型的突變模型。這些PDXO模型捕獲了在臨床癌癥人群中觀察到的異質性和多樣性,而常規體外細胞系模型做不到這一點。

3D原代細胞培養物的關鍵特征

3D原代細胞培養物利用直接從組織獲得并在基于支架或無支架的系統中生長的細胞。建立來自單個組織或不同組織類型(包括患病組織或腫瘤)的單個細胞類型或多細胞混合物的培養。

原發性腫瘤細胞

與常規細胞系相比,預期原發性腫瘤細胞將更接近原組織,其關鍵特征如下:

  • 原代細胞尚未被永生化或適應體外生長,因此可以更好地體現原腫瘤的基因組和表達譜。
  • 在3D模式下,原發性腫瘤細胞復制了親代腫瘤組織架構,比2D模式更忠實地復制了細胞進程和治療反應。

從腫瘤中獲得的原代細胞也可以在無支架的系統中培養,產生名為“腫瘤球”的自由浮動球體。與其他類型的原代細胞聚合物不同,腫瘤球在含有更多分化細胞的3D中進行培養,富含具有癌癥干細胞(CSC)特性的細胞。

使用原代細胞的其他類型測定包括甲基纖維素克隆形成、軟瓊脂克隆形成和3D腫瘤生長測定(3D TGA),這些都是針對特定目的的測定。例如,3D TGA 研究腫瘤微環境(TME)在藥物反應中的作用。它涉及將腫瘤細胞包埋在低剛性細胞外基質(IrBME,Cultrex?)中并與hMSC(例如IL-6,HGF)或CAF共培養以模擬實體瘤TME中存在的旁分泌信號。

類器官和3D原代細胞培養物之間的差異

雖然類器官和3D原代細胞培養物均可來源于患者,但模型類型之間存在關鍵差異。

培養條件

類器官來源于干細胞,并在非常特定的培養基中培養以確保適當的類器官生長和發育。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)。

HUB已微調了這些生長條件,從而可以從一系列癌癥類型的癌癥干細胞中產生腫瘤類器官。還可以從匹配的健康組織獲得類器官,以更好地控制實驗數據。

使用HUB建立方法開發的類器官為上皮來源。另一方面,原代細胞培養物主要由分化細胞組成,并且培養條件因培養物而異,這導致從某些癌癥類型建立穩健的培養物更具挑戰性。

架構

類器官依賴于復雜的自組織過程,從而形成“微型器官”。相反,原代細胞在施加物理或機械力(例如攪動)時通過簡單的細胞間粘附產生多細胞結構,類似于球狀體而不是器官樣結構。

長期維持

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。由于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,因此能保證其長期生存能力。類器官還可以在多次傳代中保留細胞組成、架構和遺傳特征。

相反,原代細胞的典型培養條件并未針對體外培養的長期維持進行優化,細胞在經過數次傳代后趨于衰老或漂移。

生物樣本庫

類器官已成功地冷凍保存,可以在不損害其基因組和形態特征的情況下,作為離體生物樣本活庫保存下來。這使得生物樣本庫可用于重復研究。

相比之下,原代細胞更像是一次性解決方案。盡管原代細胞可以冷凍用于重復研究,但它們更難以成功復蘇,因此重復研究需要回到原腫瘤組織中重新獲取細胞。

混合物篩選

由于上述關鍵特征,因此可以擴大腫瘤類器官規模,以進行大規模體外藥物篩選,其臨床相關性高于當前的體外HTS平臺。與體內篩選相比,以這種方式同時進行多種候選藥物和組合的大規模篩選可節省時間、精力和金錢。

原發性癌細胞可用于在簡單3D測定系統中評估抗癌藥的療效。與類器官類似,可以直接從患者腫瘤或PDX模型建立細胞。如果使用PDX,則在使用前應清除細胞中的任何小鼠基質成分。

匹配的體內模型

將體外類器官模型與匹配的體內模型(例如PDXO和匹配的PDX)配對,可為更好促進體內模型選擇提供一個平臺,并允許使用與患者高度相關的匹配平臺從體外研究過渡到體內研究。

由于并非總是有原代細胞培養物匹配的體內模型,因此將原代細胞發現推進到體內研究需要額外的步驟來識別合適的模型。

結論

類器官和3D原代細胞培養物均優于傳統的2D單層培養物,因為它們為細胞間相互作用和細胞反應提供了更具生理學相關性的環境。兩者均已被成功地用于利用臨床組織作為體外模型系統,并且正在被更廣泛地應用,特別是在癌癥藥物的開發和發現中。但是,類器官和3D原代細胞培養物之間存在一些關鍵差異,需要了解才能選擇最佳的研究應用。

3D原代細胞培養系統與2D單層培養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新型候選藥物的療效。

但是,相比之下,干細胞來源的類器官具有其他優勢,包括原器官的生理學相關性,對健康和疾病組織的長期體外培養的順從性,提供干細胞和分化子代的異質培養,擴增以獲取組織的生物樣本活庫,HTS以及更忠實地預測患者反應。

在藥物開發中采用類器官可以在體外和體內實驗室理念中具體體現患者特點,并可以加快朝著臨床受益的正確方向做出決策的速度。

Topics: Oncology

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