3D细胞环在医学研究中的应用
发布时间：2021-10-27 02:57
3D细胞培养比传统二维培养能更好模拟人体内环境,增加细胞间通讯,还原疾病状态,使生物医学的研究更接近人体真实情况。3D细胞环是一种无支架3D细胞培养结构,具有规则的外形、可夹取便于移植等特点,在生物医学诸多领域都有广泛应用。本文作者结合自身目前已有的工作基础,就3D细胞环在干细胞分化、组织移植和再生、糖尿病治疗、肿瘤研究、药物检测、以及研究热放疗生物学效应、肿瘤动物建模、疾病模型构建等领域的潜在应用做一综述,旨在推动国内3D细胞培养技术的发展,以及促进医学研究由二维向3D模式的跨越。
【文章来源】：生命科学仪器. 2020,18(01)
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
A:镊子夹取细胞环;B、C:细胞环从模具取出后培养发生内环融合生长;D:细胞环套叠成管状。
3D细胞环是一种基于细胞自组装原理、无需外源支架支撑的具有3D立体结构的细胞团,该细胞团具有规则的圆环状结构,内径大小约2mm,外径约3mm,环横截面直径500uM(图1 A、B)。该细胞环结构的形成需要特殊的培养模具实现,可以是琼脂糖模具[10],也可以是一次性使用塑料模具(图1 C、D),培养介质表面需要做疏水性处理以防止细胞发生粘附,从而更有利于细胞的自组装成环。培养成功后,从侧面可以看到细胞围绕模具形成一个立体的圆环状结构,从上方看细胞也围绕中央圆柱聚合成圆环形状(图1 E、F)。培养的细胞可以是多能干细胞、组织前体细胞、成体干细胞、体细胞或肿瘤细胞,根据不同的细胞类型和应用目的,可以采用相对应的培养液,如干细胞定向分化诱导液。诱导分化成熟的细胞环在体外培养可长达2个月。根据应用的目的不同,可以将细胞环取出来进行不同方式的组合,比如进行体内移植修复骨缺损或软骨缺损,可以用来进行肿瘤建模,也可以组合成管状,制备成血管、胆管、气管等结构。单个的细胞环作为一个类器官,还可以用来模拟疾病状态,进行生理机制的研究、药物的测试和评估物理治疗时的生物学效应。跟其它无支架3D细胞培养相比,这种细胞环具有如下优势:规则的圆环状结构,肉眼可见,可用镊子直接夹取,便于转运和移植(图2A);可多环合并或剪切成更小的细胞团,进行后续的实验研究;细胞环形状灵活可调,在圆柱上培养是环状,去掉圆柱培养可聚集成块状,形式上既可模拟空腔器官,又可模拟实质性器官(图2B、C);且体外培养的圆环形状,避免了其他类型的细胞团因体积过大、核心部位营养缺乏导致的细胞坏死。目前研发的第一代细胞环培养模具分为a、b两部分,两者合二为一是一个开口向上、三面闭合的圆环形凹槽,培养液的渗透流动不充分,仅适合短期的细胞环培养,但该结构可作为一个微型生物反应容器,模拟肿瘤组织的乏氧微环境。如需长期培养,可将外圈取出或将细胞环转移到硅胶管上培养,形成一个模拟的开放的生物反应器(图2D)。第二代培养模具将对a部分进行改进,设计成具有半透性质的圆筒状半透膜,有更加有利于中央凹槽培养液养分的输送,也有利于在半透膜内外设置不同的培养环境,可以用来研究微环境刺激对细胞环生长代谢的影响。此外,加入微控流体技术使得凹槽里面的培养液流动和养分交换更加充分,使得正常的3D细胞环培养得以长期实现。
2011年美国Marsha教授率先应用细胞环技术,发表了血管平滑肌细胞环的研究结果。实验证明,人体小血管分离的原代血管平滑肌细胞能够在琼脂糖培养模具中自组装形成表面光滑的3D立体细胞环,该环可连接成管状结构,制备出血管的结构,具有替代人造血管的可能[10]。随后,作者在美国学习期间,通过Marsha教授与Yibing Qyang教授的合作,成功制备了人iPS细胞诱导分化而来的血管平滑肌细胞环[16]和心肌细胞环(图3),该细胞环有望实现自体来源的血管和心肌组织再生和修复。此外,Marsha课题组还采用人骨髓间充质干细胞复合载生长因子微球的细胞环体外可诱导分化为软骨细胞,实现了干细胞向软骨方向的定向分化,有望实现气管缺损的组织工程化修复[14, 17]。其它干细胞类器官在组织修复方面的应用也有介绍,如有研究将皮肤成纤维微球移植到创面上,能实现快速的皮肤愈合[18]。将神经干细胞培养成类器官,再进行定向诱导分化[19],有望形成具有脑电生理功能的类脑组织,对神经系统的疾病研究和神经损伤的修复如帕金森病[20]、脑缺血损伤[21]具有积极的作用。3、3D细胞环在肿瘤动物模型建模中的应用
【参考文献】：
期刊论文
[1]Three-dimensional cell culture systems as an in vitro platform for cancer and stem cell modeling[J]. Nipha Chaicharoenaudomrung,Phongsakorn Kunhorm,Parinya Noisa. World Journal of Stem Cells. 2019(12)
[2]三维细胞培养技术的发展及其在干细胞和肿瘤细胞中的应用[J]. 赵典典,侯玲玲,张婧思,胡红刚,晏琼. 中国细胞生物学学报. 2015(08)
本文编号：3460729
【文章来源】：生命科学仪器. 2020,18(01)
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
A:镊子夹取细胞环;B、C:细胞环从模具取出后培养发生内环融合生长;D:细胞环套叠成管状。
3D细胞环是一种基于细胞自组装原理、无需外源支架支撑的具有3D立体结构的细胞团,该细胞团具有规则的圆环状结构,内径大小约2mm,外径约3mm,环横截面直径500uM(图1 A、B)。该细胞环结构的形成需要特殊的培养模具实现,可以是琼脂糖模具[10],也可以是一次性使用塑料模具(图1 C、D),培养介质表面需要做疏水性处理以防止细胞发生粘附,从而更有利于细胞的自组装成环。培养成功后,从侧面可以看到细胞围绕模具形成一个立体的圆环状结构,从上方看细胞也围绕中央圆柱聚合成圆环形状(图1 E、F)。培养的细胞可以是多能干细胞、组织前体细胞、成体干细胞、体细胞或肿瘤细胞,根据不同的细胞类型和应用目的,可以采用相对应的培养液,如干细胞定向分化诱导液。诱导分化成熟的细胞环在体外培养可长达2个月。根据应用的目的不同,可以将细胞环取出来进行不同方式的组合,比如进行体内移植修复骨缺损或软骨缺损,可以用来进行肿瘤建模,也可以组合成管状,制备成血管、胆管、气管等结构。单个的细胞环作为一个类器官,还可以用来模拟疾病状态,进行生理机制的研究、药物的测试和评估物理治疗时的生物学效应。跟其它无支架3D细胞培养相比,这种细胞环具有如下优势:规则的圆环状结构,肉眼可见,可用镊子直接夹取,便于转运和移植(图2A);可多环合并或剪切成更小的细胞团,进行后续的实验研究;细胞环形状灵活可调,在圆柱上培养是环状,去掉圆柱培养可聚集成块状,形式上既可模拟空腔器官,又可模拟实质性器官(图2B、C);且体外培养的圆环形状,避免了其他类型的细胞团因体积过大、核心部位营养缺乏导致的细胞坏死。目前研发的第一代细胞环培养模具分为a、b两部分,两者合二为一是一个开口向上、三面闭合的圆环形凹槽,培养液的渗透流动不充分,仅适合短期的细胞环培养,但该结构可作为一个微型生物反应容器,模拟肿瘤组织的乏氧微环境。如需长期培养,可将外圈取出或将细胞环转移到硅胶管上培养,形成一个模拟的开放的生物反应器(图2D)。第二代培养模具将对a部分进行改进,设计成具有半透性质的圆筒状半透膜,有更加有利于中央凹槽培养液养分的输送,也有利于在半透膜内外设置不同的培养环境,可以用来研究微环境刺激对细胞环生长代谢的影响。此外,加入微控流体技术使得凹槽里面的培养液流动和养分交换更加充分,使得正常的3D细胞环培养得以长期实现。
2011年美国Marsha教授率先应用细胞环技术,发表了血管平滑肌细胞环的研究结果。实验证明,人体小血管分离的原代血管平滑肌细胞能够在琼脂糖培养模具中自组装形成表面光滑的3D立体细胞环,该环可连接成管状结构,制备出血管的结构,具有替代人造血管的可能[10]。随后,作者在美国学习期间,通过Marsha教授与Yibing Qyang教授的合作,成功制备了人iPS细胞诱导分化而来的血管平滑肌细胞环[16]和心肌细胞环(图3),该细胞环有望实现自体来源的血管和心肌组织再生和修复。此外,Marsha课题组还采用人骨髓间充质干细胞复合载生长因子微球的细胞环体外可诱导分化为软骨细胞,实现了干细胞向软骨方向的定向分化,有望实现气管缺损的组织工程化修复[14, 17]。其它干细胞类器官在组织修复方面的应用也有介绍,如有研究将皮肤成纤维微球移植到创面上,能实现快速的皮肤愈合[18]。将神经干细胞培养成类器官,再进行定向诱导分化[19],有望形成具有脑电生理功能的类脑组织,对神经系统的疾病研究和神经损伤的修复如帕金森病[20]、脑缺血损伤[21]具有积极的作用。3、3D细胞环在肿瘤动物模型建模中的应用
【参考文献】：
期刊论文
[1]Three-dimensional cell culture systems as an in vitro platform for cancer and stem cell modeling[J]. Nipha Chaicharoenaudomrung,Phongsakorn Kunhorm,Parinya Noisa. World Journal of Stem Cells. 2019(12)
[2]三维细胞培养技术的发展及其在干细胞和肿瘤细胞中的应用[J]. 赵典典,侯玲玲,张婧思,胡红刚,晏琼. 中国细胞生物学学报. 2015(08)
本文编号：3460729
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