date:2023-01-13 11:17:11
體外細(xì)胞培養(yǎng)是研究細(xì)胞功能、了解疾病和發(fā)現(xiàn)新藥的重要工具。這些實(shí)驗(yàn)中的大部分是在組織培養(yǎng)處理過(guò)的塑料器皿中進(jìn)行2D單層細(xì)胞培養(yǎng)。然而，這與活細(xì)胞的體內(nèi)環(huán)境看起來(lái)完全不同。細(xì)胞嵌入由其他細(xì)胞和結(jié)構(gòu)組成的組織中，稱(chēng)為細(xì)胞外基質(zhì)（ECM；圖1A）。細(xì)胞對(duì)細(xì)胞和細(xì)胞對(duì)ECM的相互作用以及這些組織內(nèi)的機(jī)械力對(duì)細(xì)胞形態(tài)和行為有著至關(guān)重要的影響。此外，活體組織中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物、氧氣和CO2暴露于3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)（例如腫瘤）與2D單層中有非常大的區(qū)別的（圖1B和1C）。
圖1A：活體組織中具有細(xì)胞間接觸和細(xì)胞間ECM接觸的細(xì)胞示意圖。
圖1B：3D腫瘤球體的示意圖，外部為增殖細(xì)胞，內(nèi)部為壞死細(xì)胞，中間為靜止細(xì)胞。外部的氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度很高，而內(nèi)部的二氧化碳和代謝廢物含量很高。
圖1C：使用ibidi泵系統(tǒng)灌注培養(yǎng)14天后，L929球體在µ-Slide Spheroid Perfusion, Bioinert中的活/死FDA/PI染色，0.75 ml/min。綠色：活細(xì)胞（熒光素二乙酸酯，F(xiàn)DA）；紅色：死細(xì)胞（碘化丙啶，PI）。寬場(chǎng)熒光顯微鏡，10倍物鏡。
研究人員在建立細(xì)胞培養(yǎng)模型以研究細(xì)胞功能、特定疾病(如癌癥)或表征某些藥物之前，必須考慮這些因素。為了獲得最接近體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，盡可能地模擬活體組織的生理?xiàng)l件也是有意義的。
在本文中，我們引入了不同的三維細(xì)胞培養(yǎng)模型來(lái)研究細(xì)胞在體內(nèi)的狀態(tài)。
從單層細(xì)胞到組織：
雖然細(xì)胞仍然主要是在細(xì)胞培養(yǎng)處理過(guò)的塑料表面或包被蛋白質(zhì)或厚細(xì)胞基質(zhì)(2.5D培養(yǎng))的2D單層中培養(yǎng)，但當(dāng)你想用更生理的方式培養(yǎng)細(xì)胞時(shí)，你可以選擇各種3D細(xì)胞培養(yǎng)模型(圖2)。可以使用基于支架的技術(shù)，如聚合物或水凝膠，它們通過(guò)合成化學(xué)聚合物或蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)提供結(jié)構(gòu)支持。或者，可以使用無(wú)支架技術(shù)獲得3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)，其中復(fù)雜的細(xì)胞聚集體或整個(gè)組織可以在沒(méi)有額外結(jié)構(gòu)支持的情況下形成。
圖2: 2D和3D細(xì)胞培養(yǎng)模型概述
這兩種方法各有利弊，在決定哪種技術(shù)最適合各自的研究問(wèn)題時(shí)，應(yīng)考慮這些利弊。支架方法考慮了細(xì)胞與ECM的相互作用，而懸浮生長(zhǎng)的球體可以更好地控制細(xì)胞的環(huán)境。
為了在顯微鏡上進(jìn)行3D結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期培養(yǎng)和研究，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了特殊的工具和技術(shù)，以確保在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)提供介質(zhì)并模擬生理?xiàng)l件。
基于支架的3D細(xì)胞培養(yǎng)模型：
3D細(xì)胞培養(yǎng)模型的支架可以從多孔聚合物膜到模擬ECM細(xì)胞微環(huán)境的復(fù)雜水凝膠。
一般來(lái)說(shuō)，水凝膠形成交聯(lián)聚合物的結(jié)構(gòu)，可以吸收和結(jié)合大量的水。在4°C或室溫下，混合物為液體，但在37°C時(shí)會(huì)形成凝膠。這一特性使得液體與細(xì)胞混合成為可能，然后在37°孵育時(shí)將細(xì)胞嵌入3D基質(zhì)中。這使得細(xì)胞能夠保留特定的體內(nèi)特征，例如細(xì)胞ECM相互作用或環(huán)境的生理和機(jī)械特性。
有不同類(lèi)型的水凝膠，如Matrigel®或膠原蛋白，它們?cè)醋杂袡C(jī)來(lái)源。也有復(fù)雜的合成水凝膠，其優(yōu)勢(shì)是能對(duì)其成分（分子、交聯(lián)劑等）進(jìn)行精確的控制。這使其能對(duì)各個(gè)組成部分的影響得出不同的結(jié)論。
無(wú)支架3D細(xì)胞培養(yǎng)模型：
支架獨(dú)立方法允許在沒(méi)有基質(zhì)支持的情況下在3D中培養(yǎng)細(xì)胞。它們依賴(lài)于細(xì)胞自組裝成聚集體或球狀體的概率。為了促進(jìn)這種自組裝過(guò)程，人們建立了各種各樣的技術(shù)。
圖 3：在µ-Slide 4 Well中培養(yǎng)的纖維蛋白水凝膠中出牙的人腸成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞球狀體。內(nèi)皮細(xì)胞用CD31染色(黃色)，成纖維細(xì)胞用波形蛋白染色(紅色)，DNA用DAPI染色(青色)。共焦圖像由H. Nogueira Pinto，生物工程3D微環(huán)境組，Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal。
懸滴技術(shù)
懸滴技術(shù)是生物學(xué)中行之有效的方法，已用于許多不同的應(yīng)用，如觀察整個(gè)(微觀)生物體或蛋白質(zhì)的結(jié)晶。它利用重力形成懸浮液滴，懸掛在玻璃板上。在過(guò)去的十年中，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被改進(jìn)并適用于3D細(xì)胞培養(yǎng)的應(yīng)用，能夠從細(xì)胞懸浮液中形成球狀體，而無(wú)需支撐支架(圖4)。如今，專(zhuān)門(mén)的懸滴板已在市場(chǎng)上銷(xiāo)售。然而，雖然這種方法適用于球狀體的生成，但不可能將其與高分辨率顯微鏡相結(jié)合。
圖 4：懸滴法原理
超低吸附 (ULA) 涂層
所謂的低粘附板是涂有中性電荷或親水性蛋白質(zhì)或水凝膠，可減少細(xì)胞對(duì)板表面的附著，從而形成 3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)。盡管這種涂層主要防止細(xì)胞附著，但在更長(zhǎng)的時(shí)間后，細(xì)胞粘附仍可能發(fā)生，因?yàn)橥繉油ǔＶ皇俏锢砦蕉枪矁r(jià)結(jié)合——因此不具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
生物惰性表面
與標(biāo)準(zhǔn)的ULA涂層相比，生物惰性表面是共價(jià)結(jié)合的，并提供穩(wěn)定的表面鈍化。因此，它可以完全防止蛋白質(zhì)或細(xì)胞附著在涂層表面。這促進(jìn)了細(xì)胞間的相互作用和3D細(xì)胞聚集的形成，即使是在長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)中(圖5)。
圖5: ibidi聚合物蓋玻片生物惰性表面的球狀體形成
微圖案表面微孔板
在Bioinert表面上壓印微圖案可以使細(xì)胞精確粘附在指定位置（圖6）。
圖6：微圖案點(diǎn)上的細(xì)胞附著動(dòng)態(tài)圖
µ-patterned圖案處周?chē)拟g化區(qū)域有助于形成3D細(xì)胞聚集體和球狀體（圖7和8）。
圖7：微圖案點(diǎn)上球體形成的原理
圖8：接種在200 µm粘附點(diǎn)上的NIH-3T3細(xì)胞系懸浮液，64小時(shí)活細(xì)胞成像，相差，4x 物鏡。
具有特殊幾何形狀的微孔板、微流控器官芯片和用于長(zhǎng)期3D細(xì)胞培養(yǎng)的設(shè)備
為了體外細(xì)胞培養(yǎng)盡可能接近體內(nèi)條件，與灌注設(shè)備相結(jié)合的微流控器官芯片檢測(cè)變得越來(lái)越重要。在這種應(yīng)用中，細(xì)胞被嵌入到微通道中的基質(zhì)中。這些通道可以灌注培養(yǎng)基或藥物，用于在流動(dòng)或藥物篩選下進(jìn)行長(zhǎng)期細(xì)胞培養(yǎng)（圖9和10）。
具有特殊幾何形狀的微孔板允許進(jìn)行特定的基于3D細(xì)胞的測(cè)定（如：傷口愈合或趨化性測(cè)定）或模擬不同的器官（如：肺或肝）。
圖9：ibidi µ-Slide Spheroid Perfusion球體灌注的工作原理，它可連接到泵系統(tǒng)（如ibidi泵系統(tǒng)），用于長(zhǎng)期培養(yǎng)球狀體
圖 10：L929 成纖維細(xì)胞在 µ-Slide Spheroid Perfusion, Bioinert球體灌注中顯示球狀體形成，，第1-14天，接種濃度5 x 105個(gè)單細(xì)胞/ml。左圖：無(wú)灌注，每隔一天更換一次培養(yǎng)基。右圖：使用 ibidi 泵系統(tǒng)灌注，0.75 毫升/分鐘。相差顯微鏡，10 倍物鏡，孔徑 800 µm。
總之，通過(guò)從2D細(xì)胞單層到3D細(xì)胞培養(yǎng)，已經(jīng)在模擬活體組織的生理?xiàng)l件方面取得了巨大的進(jìn)展。這可以更好地讀取基于細(xì)胞的分析、疾病模型和藥物效應(yīng)，從而使細(xì)胞培養(yǎng)總體上更準(zhǔn)確，成為動(dòng)物模型的更好替代品。
ibidi開(kāi)發(fā)用于3D細(xì)胞模型分析的產(chǎn)品
有關(guān)球體、類(lèi)器官和3D細(xì)胞培養(yǎng)的更多信息，請(qǐng)查看：ibidi 3D細(xì)胞(球狀體、類(lèi)器官和單細(xì)胞)培養(yǎng)（←點(diǎn)擊即可查看）。
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