细胞生物学和组织模型
干细胞分化和类器官生成
干细胞和特定体细胞的培养和分化已经得到了令人瞩目的研究成果,这得益于 3D 细胞培养系统的使用。干细胞,尤其是多能干细胞(PSC),具有生成体内任何类型细胞群的巨大潜能。纯前体细胞群或终分化的细胞,尤其是难以从组织中分离出来的细胞,对药物发现、细胞治疗和组织再生具有巨大的价值。
最近,在使用 3D 培养系统进行干细胞分化的领域取得了巨大的突破,包括体内信号通路发展和时间控制。值得注意的是,在 Koehler 及其同事进行的一项复杂研究中,小鼠胚胎干细胞(mESC)在含有 Corning® Matrigel®基质的培养基中作为漂浮细胞团培养时,成功地分化成内耳感受上皮细胞。在感受上皮细胞中,自发产生了内耳中具有天然机械敏感毛细胞结构和功能特性的毛细胞。这一新型的方法有助于阐明控制内耳发育的复杂机制,并可用于体外疾病模型的建立、药物发现及细胞疗法。
近期研究实现了从干细胞衍生为肾细胞谱系。Morizane 等发现在使用 Corning® Matrigel 基质对 mESC 进行 3D 培养时,它可分化为复杂的肾小管细胞。Xia 等将 hPSC 分化为肾前体样细胞。通过构建 3D 培养系统,这些细胞进一步成熟为输尿管芽结构,在这一系统中,分化的人细胞和鼠细胞一起组装并结合为嵌合的输尿管芽。这两项研究发现了在构建肾发育模型中的关键步骤,并共同阐明了用于支持高度组织化器官细胞分化的 3D 系统的重要性。
干细胞分化的另一个重大进步就是自组织 3D 迷你器官(类器官)的形成。类器官中可看到明显的组织细节,并具有体内器官中多种类型细胞的功能特性。最近已出现了许多使用由 Corning Matrigel 基质组成的 3D 模型开发出的肠、视网膜、胰腺、乳腺、结肠和大脑组织的类器官。类器官的体外培养朝着阐明器官发育原理和遗传病发病机制跨出了一大步。
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癌症和肿瘤细胞生物学
Corning® Matrigel® 基质用于 3D 细胞培养的最显著的应用可能在于癌生物学领域。Matrigel 基质是从小鼠肿瘤中分离出来的重构基底膜,因此这一生理材料具备着模拟肿瘤生长、血管生成和转移过程中关键步骤的重要微环境特征。肿瘤细胞在 3D 悬浮培养或水凝胶中通常会形成球体。球体中的细胞是异质性的,其组织形态有助于梯度形成,其扩散动力学更接近于体内形成的肿瘤。球体的内核具有一个类似于体内癌症坏死区域的空腔。这些区域缺少氧气,通常能在缺乏养分和氧气供应的条件下观察到。除此以外,3D 系统中肿瘤细胞的增殖明显慢于单层培养。
源于上皮的肿瘤细胞在 3D 系统中培养时表现出形状上的变化,丢失了和体内肿瘤发展相关的极性。而包括增殖、基因表达和药物敏感性在内的其他参数也跟 2D 表面培养的肿瘤细胞相比更加接近体内的情况。
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癌症共培养模型
大多数体内细胞培养模型涉及到培养单种类型的细胞来研究其分离状态的生长和行为。但是在体内,不同类型细胞之间的通讯对于维持组织内稳态至关重要。通过共培养来模拟两种以上相关联细胞之间的相互作用,可以改善细胞培养模型的总体生物学相关性。
3D 共培养模型对研究癌细胞和其他类型细胞间的复杂相互作用非常有用,并有助于阐明其对肿瘤生长、血管生成和转移的作用。
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组织共培养模型
可通透支持物(如 Transwell 细胞小室)可为共培养研究提供独有的作用,因而被广泛地整合入 3D 共培养系统中。含孔的可通透支持物膜具有可使生物活性因子或可溶性分子跨膜传递的小孔径(如 0.4 微米),以实现膜两侧细胞的物理分离。最近两项研究使用可通透支持物来研究包埋在 3D Corning® Matrigel®基质中乳腺上皮细胞和人肺上皮细胞生长中内皮细胞的作用。两项研究中,内皮细胞都诱导了癌上皮细胞的生长和形态学改变,这些变化可以通过可溶性分子的分泌来实现。另一项研究将成纤维细胞和内皮细胞与肝细胞球体进行了共培养,可用于显著提高肝细胞的功能。通过可通透支持物的使用,进一步发现内皮细胞需要直接的细胞间接触来提高肝细胞的功能,而成纤维细胞可通过可溶性分子的作用或通过直接接触培养细胞时来实现这一功能。在一个更复杂的可通透支持物共培养模型中,将四种类型的细胞(肺泡、巨噬样、肥大和内皮细胞)一起培养以能够模拟肺泡屏障来研究肺上的颗粒潜在毒性。除了细胞通透反应,可通透支持物还被用于研究细胞迁徙和侵袭。在一个有意思的 3D 共培养模型中,羊膜支架中的间充质干细胞被发现能通过 MSC 分泌的 IL-6 的作用来提高卵巢癌细胞的迁移和侵袭能力。这些使用可通透支持物共培养模型的发现说明,这种方案可显著改善现有的药物筛选和组织工程方法。
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