小而美的3D細胞培養(yǎng)——類器官

經(jīng)典二維細胞培養(yǎng)方法，從1885年德國科學(xué)家從雞胚中分離細胞至今，解決了許多生命科學(xué)問題，但是和細胞能夠以最佳生長狀態(tài)的體內(nèi)環(huán)境并不相同。近年來，為盡可能的模仿細胞在生物體內(nèi)的生長環(huán)境，得到更接近類似于體內(nèi)生長的細胞, 越來越多研究人員開始關(guān)注三維細胞、類器官培養(yǎng)技術(shù)。

20世紀(jì)80年代左右，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Mina Bissell和William Ole Peterson①在乳腺癌的研究中發(fā)明了三維細胞培養(yǎng)技術(shù), 他們的研究發(fā)現(xiàn)，以三維培養(yǎng)正常的乳腺上皮細胞形成了腺泡狀單層管狀結(jié)構(gòu), 同時具有原癌基因激活的乳腺上皮細胞形成了碗狀腺泡結(jié)構(gòu)，而這是在2D培養(yǎng)時所觀察不到的現(xiàn)象。

from Dr. Reginato

近代研究人員逐漸開始應(yīng)用三維細胞培養(yǎng)技術(shù)，也就是把動物細胞與具有三維結(jié)構(gòu)的支架材料共同培養(yǎng), 使細胞能夠在三維立體空間生長、增殖和遷移, 構(gòu)成三維的細胞?細胞或細胞?載體復(fù)合物, 模擬細胞在生物體內(nèi)的生長環(huán)境。三維細胞培養(yǎng)技術(shù)也開始應(yīng)用在干細胞生物學(xué)、組織工程、腫瘤學(xué)、再生醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域。

類器官(organoid)是體外三維培養(yǎng)構(gòu)建出的多細胞團, 具有自我更新和自我組織能力, 并且維持了其來源組織的生理結(jié)構(gòu)和功能的特點。

 類器官模型的典型制備方法，首先要分離出胚胎或多能干細胞，然后將它們培養(yǎng)在一個支持介質(zhì)(如基質(zhì)膠或水凝膠)上，使其能夠三維生長。3D類器官模型創(chuàng)立于二十世紀(jì)九十年代，Lindberg和Pellegrini④等將角膜緣干細胞培養(yǎng)在3T3滋養(yǎng)層細胞上，成功培養(yǎng)出了人源3D眼角膜結(jié)構(gòu)，啟動人源細胞三維類器官培養(yǎng)的新領(lǐng)域，但是其應(yīng)用仍有限！ 2009年，Hans Clevers和Toshiro Sato③用源于小鼠腸道的成體干細胞培育出第一個微型腸道 (mini-guts)類器官，真正開啟類器官培養(yǎng)的時代。2011年，日本RIKEN發(fā)育生物學(xué)中心的研究人員，利用類器官培養(yǎng)將胚胎干細胞成功構(gòu)建成視杯結(jié)構(gòu)(optic cup)。3D類器官培養(yǎng)被<Science>雜志選為2013年十個大突破技術(shù)，該領(lǐng)域研究人員分別建構(gòu)出微型大腦、肝芽以及迷你腎。

這些年，類器官培養(yǎng)技術(shù)更是廣泛運用在腫瘤生物學(xué)體外培養(yǎng)，研究癌癥的形成；美國紐約冷泉港實驗室腫瘤學(xué)家David Tuveson團隊，在2015年和Hans Clevers④合作共同創(chuàng)建結(jié)腸癌腫瘤細胞類器官；其團隊更進一步在胰腺癌患者的活體手術(shù)取得組織，建構(gòu)胰腺類器官，作為抗癌藥物最佳篩選平臺。

J Mol Med (Berl). 2017

2017年發(fā)表在<Nature Medicine>雜志上的一篇研究論文，來自英國劍橋大學(xué)Gurdon癌癥研究中心的生物學(xué)家 Meritxell Huch 的研究小組取得肝癌研究的重大突破。Dr. Huch和她研究團隊取下8名癌癥患者身上的腫瘤細胞，研究團隊借此創(chuàng)造出一種稱為「類腫瘤」約0.5毫米的迷你腫瘤(tumouroid)。劍橋癌癥研究中心的團隊也利用這種腫瘤模型測試 29 種不同的癌癥用藥，通過純化腫瘤細胞，排除正常細胞，癌癥的分析將更加容易準(zhǔn)確。

Nature Medicine 2017

在傳統(tǒng)的細胞培養(yǎng)中，大部分組織結(jié)構(gòu)都會遺失改變，3D細胞培養(yǎng)或是類器官的培養(yǎng)體系，不只是在再生醫(yī)學(xué)干細胞應(yīng)用，目前創(chuàng)建研究平臺從腎、肝、肺、腸、腦、前列腺、胰腺和視網(wǎng)膜等，在臨床醫(yī)學(xué)研究上都有相當(dāng)大的應(yīng)用，部分已運用于測試數(shù)種癌癥用藥。3D細胞培養(yǎng)或是類器官培養(yǎng)，在各個文獻中有多種不同的材料方法，小編在此分享Biozellen®3D類器官培養(yǎng)基質(zhì)膠的成功案例給大家。

A.形成3D腫瘤球體成功案例分享

B.Biozellen基質(zhì)膠被溶解后分離的完整3D細胞結(jié)構(gòu)照片

參考文獻