3D細胞培養(yǎng)比傳統(tǒng)二維培養(yǎng)能更好模擬人體內環(huán)境,增加細胞間通訊,還原疾病狀態(tài),使生物醫(yī)學的研究更接近人體真實情況。3D細胞環(huán)是一種無支架3D細胞培養(yǎng)結構,具有規(guī)則的外形、可夾取便于移植等特點,在生物醫(yī)學諸多領域都有廣泛應用。本文作者結合自身目前已有的工作基礎,就3D細胞環(huán)在干細胞分化、組織移植和再生、糖尿病治療、腫瘤研究、藥物檢測、以及研究熱放療生物學效應、腫瘤動物建模、疾病模型構建等領域的潛在應用做一綜述,旨在推動國內3D細胞培養(yǎng)技術的發(fā)展,以及促進醫(yī)學研究由二維向3D模式的跨越。 

【文章來源】：生命科學儀器. 2020,18(01)

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

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

3D細胞環(huán)是一種基于細胞自組裝原理、無需外源支架支撐的具有3D立體結構的細胞團,該細胞團具有規(guī)則的圓環(huán)狀結構,內徑大小約2mm,外徑約3mm,環(huán)橫截面直徑500uM(圖1 A、B)。該細胞環(huán)結構的形成需要特殊的培養(yǎng)模具實現(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)介質表面需要做疏水性處理以防止細胞發(fā)生粘附,從而更有利于細胞的自組裝成環(huán)。培養(yǎng)成功后,從側面可以看到細胞圍繞模具形成一個立體的圓環(huán)狀結構,從上方看細胞也圍繞中央圓柱聚合成圓環(huán)形狀(圖1 E、F)。培養(yǎng)的細胞可以是多能干細胞、組織前體細胞、成體干細胞、體細胞或腫瘤細胞,根據(jù)不同的細胞類型和應用目的,可以采用相對應的培養(yǎng)液,如干細胞定向分化誘導液。誘導分化成熟的細胞環(huán)在體外培養(yǎng)可長達2個月。根據(jù)應用的目的不同,可以將細胞環(huán)取出來進行不同方式的組合,比如進行體內移植修復骨缺損或軟骨缺損,可以用來進行腫瘤建模,也可以組合成管狀,制備成血管、膽管、氣管等結構。單個的細胞環(huán)作為一個類器官,還可以用來模擬疾病狀態(tài),進行生理機制的研究、藥物的測試和評估物理治療時的生物學效應。跟其它無支架3D細胞培養(yǎng)相比,這種細胞環(huán)具有如下優(yōu)勢:規(guī)則的圓環(huán)狀結構,肉眼可見,可用鑷子直接夾取,便于轉運和移植(圖2A);可多環(huán)合并或剪切成更小的細胞團,進行后續(xù)的實驗研究;細胞環(huán)形狀靈活可調,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,又可模擬實質性器官(圖2B、C);且體外培養(yǎng)的圓環(huán)形狀,避免了其他類型的細胞團因體積過大、核心部位營養(yǎng)缺乏導致的細胞壞死。目前研發(fā)的第一代細胞環(huán)培養(yǎng)模具分為a、b兩部分,兩者合二為一是一個開口向上、三面閉合的圓環(huán)形凹槽,培養(yǎng)液的滲透流動不充分,僅適合短期的細胞環(huán)培養(yǎng),但該結構可作為一個微型生物反應容器,模擬腫瘤組織的乏氧微環(huán)境。如需長期培養(yǎng),可將外圈取出或將細胞環(huán)轉移到硅膠管上培養(yǎng),形成一個模擬的開放的生物反應器(圖2D)。第二代培養(yǎng)模具將對a部分進行改進,設計成具有半透性質的圓筒狀半透膜,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外設置不同的培養(yǎng)環(huán)境,可以用來研究微環(huán)境刺激對細胞環(huán)生長代謝的影響。此外,加入微控流體技術使得凹槽里面的培養(yǎng)液流動和養(yǎng)分交換更加充分,使得正常的3D細胞環(huán)培養(yǎng)得以長期實現(xiàn)。

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

【參考文獻】：
期刊論文
[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]三維細胞培養(yǎng)技術的發(fā)展及其在干細胞和腫瘤細胞中的應用[J]. 趙典典,侯玲玲,張婧思,胡紅剛,晏瓊.  中國細胞生物學學報. 2015(08)



本文編號：3460729