在 3D 培養中重建細胞壁龕
三維 (3D) 細胞培養為用於測試藥品、食品和個人護理產品的各種分析增加了生物學相關性,但只有在細胞在與其自然生態位相似的環境中生長時,才能創建逼真的分析系統。當然,要達到這種相似程度,首先要從細胞本身開始,這就是為什麼心臟模型使用心肌細胞而神經模型從神經元開始(或者,在這兩種情況下,都是能夠分化成這些靶細胞的祖細胞)。
一旦開發人員確定了合適的細胞類型,問題就會減少,正如有些人所說,“僅僅是工程”,但這些細節使 3D 細胞培養變得有趣且具有挑戰性。在尋求工業化生產和使用類器官、球體和其他基於細胞的先進模型的過程中,需要控制的其餘因素包括培養基、培養器皿和基質。
文化傳媒
3D 培養物比傳統的懸浮細胞培養物(例如 CHO)更複雜,因為它們包含多種細胞類型,包括幹細胞和分化細胞。“培養基通過提供必要的信號和生長因子來觸發細胞生長細胞分裂,在維持幹細胞群方面發揮著重要作用。在體內,這些因素是由其他細胞類型和組織提供的,”STEMCELL Technologies 上皮細胞生物學產品經理 Alexander Schlact 博士說。“3D 培養基必須同時支持分化的細胞類型,其要求與乾細胞的要求不同。”
根據 Schlact 的說法,啟動和擴大培養需要一套培養基條件來支持幹細胞生態位,而將類器官分化為特定細胞類型需要其他促進特定細胞類型生長的因素,通常以犧牲幹細胞生態位為代價。
由於 3D 培養物的高代謝活動,需要每兩到三天更換一次培養基,這通常也是每周傳代一次,此時需要額外的新鮮培養基。
“3D 培養物,尤其是類器官的優勢在於它們反映了供體(或患者)的特定生物學,”Schlact 說。“通過使用供體庫,我們能夠了解整個人群對生物學調查的反應範圍,因此異質性最終是有益的。然而,各種培養基製備方法引入的不確定性引入了難以從供體到供體的可變性中梳理出來的可變性。因此,標準化媒體使用對於該領域的發展非常重要。”
康寧生命科學公司細胞生物學開發科學家 Audrey Bergeron 指出,支持前體細胞分化和維持相應類器官的培養基要求因細胞來源類型、模型和應用而異。
“例如,類器官可以來自含有成體幹細胞的組織活檢,也可以來自誘導多能幹細胞(iPSC)。為了使來自成人組織的類器官在體外存活和擴增,培養基必須防止自發分化,而對於 iPSC 衍生產品,培養基必須包含直接分化成感興趣的細胞類型的因子。”
Bergeron 告訴 Biocompare,被建模的器官以及應用程序通常決定了媒體要求。“例如,在 Corning ® Matrigel ®基質中維持腸道類器官以進行擴張,與將那些相同的腸道類器官區分為 Transwell ®插入物上的上皮單層以進行屏障分析有不同的要求。”
文化器皿
Cultureware 是一個在設計 3D 培養系統時很容易被忽視的變量,尤其是在非工業環境中。所採用的培養器皿形式和表面處理或塗層取決於細胞來源、模型、應用和所需的通量。
例如,iPSC 衍生的類器官通常從單細胞形成的胚狀體 (EB) 開始。“這可以在超低附著塗層容器中實現,該容器使用用於不同尺寸 EB 的平底容器或具有圓底孔的容器,”Bergeron 說。“根據應用的不同,EB 可以嵌入到該容器中的基質中以進一步區分。成體幹細胞衍生的類器官更典型地以小細胞簇的形式培養,要么嵌入基質材料中,要么在類似塗層的表面上。”
選擇的培養皿格式也取決於應用。雖然多孔板、培養皿甚至轉瓶都適用於類器官擴增,但測定發生在微孔板中。
“下游應用也可能影響所選的表面處理或塗層,”她補充道。“對於在 Corning Matrigel 基質的小液滴(稱為圓頂)中培養的類器官,研究人員可能會選擇經過組織培養處理的表面以促進圓頂附著在表面上,或者他們可以選擇未經處理的表面以便於去除圓頂到另一艘船。”
矩陣
每個人都知道康寧的 Matrigel 是 3D 細胞培養(以及許多其他應用)的領先矩陣,但 Matrigel 並不是城裡唯一的遊戲,包括 3D 培養。
其他基質已用於類器官應用並取得了不同程度的成功,包括含有基質膠主要成分膠原蛋白的產品。
“另一種替代品,合成水凝膠,提供了一種更明確的 Matrigel 基質替代品,”Bergeron 說。這些產品,例如基於藻酸鹽的水凝膠,還為創建更大的組織模型提供了更粘稠的支架。然而,儘管它們可以為類器官模型提供物理結構,但它們缺乏生長因子。需要做更多的研究來確定必須添加到合成水凝膠模型中以支持類器官生長的其他成分。
替代矩陣的一種途徑是通過 3D 生物打印,它使用含有細胞的“墨水”來生成特定的幾何形狀或結構。“由於該方法具有快速創建定制器官模型的潛力,人們對生物打印的興趣正在增長,”Bergeron 說。
有幾種合適的 3D 生物打印方法可用,包括基於擠出的、基於噴墨的和激光輔助的生物打印,每種方法都有其自身的優點和缺點。
Corning Matribot ®生物打印機是第一台設計用於雕刻 3D 矩陣的台式生物打印機。Matribot 使用冷卻注射器打印頭,允許開發人員為類器官應用生物分配 3D 液滴或液滴陣列。
根據 Bergeron 的說法,3D 生物打印提供了精確的自動或半自動細胞定位,允許對不同類型的細胞進行分層。“與更多的手動方法相比,生物打印機對用戶可變性的依賴更少,並且可以更一致地分配小體積。另一個好處是生物打印機能夠處理更高粘度的‘生物墨水’,打印後可以保持其結構。” 由於它們的高粘度,這些墨水很難通過標準移液操作。“然而,與用移液管手動分配載有細胞的基質相比,3D 生物打印機的使用更加複雜,並且有可能根據打印速度和方法對細胞造成剪切應力。”