3D細(xì)胞培養(yǎng)比傳統(tǒng)二維培養(yǎng)能更好模擬人體內(nèi)環(huán)境,增加細(xì)胞間通訊,還原疾病狀態(tài),使生物醫(yī)學(xué)的研究更接近人體真實(shí)情況。3D細(xì)胞環(huán)是一種無(wú)支架3D細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)構(gòu),具有規(guī)則的外形、可夾取便于移植等特點(diǎn),在生物醫(yī)學(xué)諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。本文作者結(jié)合自身目前已有的工作基礎(chǔ),就3D細(xì)胞環(huán)在干細(xì)胞分化、組織移植和再生、糖尿病治療、腫瘤研究、藥物檢測(cè)、以及研究熱放療生物學(xué)效應(yīng)、腫瘤動(dòng)物建模、疾病模型構(gòu)建等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用做一綜述,旨在推動(dòng)國(guó)內(nèi)3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展,以及促進(jìn)醫(yī)學(xué)研究由二維向3D模式的跨越。 

【文章來(lái)源】：生命科學(xué)儀器. 2020,18(01)

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

A:鑷子夾取細(xì)胞環(huán);B、C:細(xì)胞環(huán)從模具取出后培養(yǎng)發(fā)生內(nèi)環(huán)融合生長(zhǎng);D:細(xì)胞環(huán)套疊成管狀。

3D細(xì)胞環(huán)是一種基于細(xì)胞自組裝原理、無(wú)需外源支架支撐的具有3D立體結(jié)構(gòu)的細(xì)胞團(tuán),該細(xì)胞團(tuán)具有規(guī)則的圓環(huán)狀結(jié)構(gòu),內(nèi)徑大小約2mm,外徑約3mm,環(huán)橫截面直徑500uM(圖1 A、B)。該細(xì)胞環(huán)結(jié)構(gòu)的形成需要特殊的培養(yǎng)模具實(shí)現(xiàn),可以是瓊脂糖模具[10],也可以是一次性使用塑料模具(圖1 C、D),培養(yǎng)介質(zhì)表面需要做疏水性處理以防止細(xì)胞發(fā)生粘附,從而更有利于細(xì)胞的自組裝成環(huán)。培養(yǎng)成功后,從側(cè)面可以看到細(xì)胞圍繞模具形成一個(gè)立體的圓環(huán)狀結(jié)構(gòu),從上方看細(xì)胞也圍繞中央圓柱聚合成圓環(huán)形狀(圖1 E、F)。培養(yǎng)的細(xì)胞可以是多能干細(xì)胞、組織前體細(xì)胞、成體干細(xì)胞、體細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞,根據(jù)不同的細(xì)胞類型和應(yīng)用目的,可以采用相對(duì)應(yīng)的培養(yǎng)液,如干細(xì)胞定向分化誘導(dǎo)液。誘導(dǎo)分化成熟的細(xì)胞環(huán)在體外培養(yǎng)可長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月。根據(jù)應(yīng)用的目的不同,可以將細(xì)胞環(huán)取出來(lái)進(jìn)行不同方式的組合,比如進(jìn)行體內(nèi)移植修復(fù)骨缺損或軟骨缺損,可以用來(lái)進(jìn)行腫瘤建模,也可以組合成管狀,制備成血管、膽管、氣管等結(jié)構(gòu)。單個(gè)的細(xì)胞環(huán)作為一個(gè)類器官,還可以用來(lái)模擬疾病狀態(tài),進(jìn)行生理機(jī)制的研究、藥物的測(cè)試和評(píng)估物理治療時(shí)的生物學(xué)效應(yīng)。跟其它無(wú)支架3D細(xì)胞培養(yǎng)相比,這種細(xì)胞環(huán)具有如下優(yōu)勢(shì):規(guī)則的圓環(huán)狀結(jié)構(gòu),肉眼可見,可用鑷子直接夾取,便于轉(zhuǎn)運(yùn)和移植(圖2A);可多環(huán)合并或剪切成更小的細(xì)胞團(tuán),進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究;細(xì)胞環(huán)形狀靈活可調(diào),在圓柱上培養(yǎng)是環(huán)狀,去掉圓柱培養(yǎng)可聚集成塊狀,形式上既可模擬空腔器官,又可模擬實(shí)質(zhì)性器官(圖2B、C);且體外培養(yǎng)的圓環(huán)形狀,避免了其他類型的細(xì)胞團(tuán)因體積過(guò)大、核心部位營(yíng)養(yǎng)缺乏導(dǎo)致的細(xì)胞壞死。目前研發(fā)的第一代細(xì)胞環(huán)培養(yǎng)模具分為a、b兩部分,兩者合二為一是一個(gè)開口向上、三面閉合的圓環(huán)形凹槽,培養(yǎng)液的滲透流動(dòng)不充分,僅適合短期的細(xì)胞環(huán)培養(yǎng),但該結(jié)構(gòu)可作為一個(gè)微型生物反應(yīng)容器,模擬腫瘤組織的乏氧微環(huán)境。如需長(zhǎng)期培養(yǎng),可將外圈取出或?qū)⒓?xì)胞環(huán)轉(zhuǎn)移到硅膠管上培養(yǎng),形成一個(gè)模擬的開放的生物反應(yīng)器(圖2D)。第二代培養(yǎng)模具將對(duì)a部分進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)成具有半透性質(zhì)的圓筒狀半透膜,有更加有利于中央凹槽培養(yǎng)液養(yǎng)分的輸送,也有利于在半透膜內(nèi)外設(shè)置不同的培養(yǎng)環(huán)境,可以用來(lái)研究微環(huán)境刺激對(duì)細(xì)胞環(huán)生長(zhǎng)代謝的影響。此外,加入微控流體技術(shù)使得凹槽里面的培養(yǎng)液流動(dòng)和養(yǎng)分交換更加充分,使得正常的3D細(xì)胞環(huán)培養(yǎng)得以長(zhǎng)期實(shí)現(xiàn)。

2011年美國(guó)Marsha教授率先應(yīng)用細(xì)胞環(huán)技術(shù),發(fā)表了血管平滑肌細(xì)胞環(huán)的研究結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明,人體小血管分離的原代血管平滑肌細(xì)胞能夠在瓊脂糖培養(yǎng)模具中自組裝形成表面光滑的3D立體細(xì)胞環(huán),該環(huán)可連接成管狀結(jié)構(gòu),制備出血管的結(jié)構(gòu),具有替代人造血管的可能[10]。隨后,作者在美國(guó)學(xué)習(xí)期間,通過(guò)Marsha教授與Yibing Qyang教授的合作,成功制備了人iPS細(xì)胞誘導(dǎo)分化而來(lái)的血管平滑肌細(xì)胞環(huán)[16]和心肌細(xì)胞環(huán)(圖3),該細(xì)胞環(huán)有望實(shí)現(xiàn)自體來(lái)源的血管和心肌組織再生和修復(fù)。此外,Marsha課題組還采用人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞復(fù)合載生長(zhǎng)因子微球的細(xì)胞環(huán)體外可誘導(dǎo)分化為軟骨細(xì)胞,實(shí)現(xiàn)了干細(xì)胞向軟骨方向的定向分化,有望實(shí)現(xiàn)氣管缺損的組織工程化修復(fù)[14, 17]。其它干細(xì)胞類器官在組織修復(fù)方面的應(yīng)用也有介紹,如有研究將皮膚成纖維微球移植到創(chuàng)面上,能實(shí)現(xiàn)快速的皮膚愈合[18]。將神經(jīng)干細(xì)胞培養(yǎng)成類器官,再進(jìn)行定向誘導(dǎo)分化[19],有望形成具有腦電生理功能的類腦組織,對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的疾病研究和神經(jīng)損傷的修復(fù)如帕金森病[20]、腦缺血損傷[21]具有積極的作用。3、3D細(xì)胞環(huán)在腫瘤動(dòng)物模型建模中的應(yīng)用

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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