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3D细胞培养和试验系统
综述文章
Suparna Sanyal, Ph.D. 简介
哺乳动物细胞培养作为一个无价的细胞生物学工具已有几十年。生长在扁平和僵硬的二维(2D)底物(如
聚苯乙烯或玻璃)上的单层贴壁细胞已成为传统细胞培养系统的中流砥柱。二维细胞培养的研究在扩宽
我们对发育生物学、组织形态发生、疾病机制、药物发现、大批量蛋白生产、组织工程和再生医学方
面的知识方面扮演了至关重要的角色。与此同时,随着2D培养系统而来的缺陷也显现了出来,尤其是
其不能模拟体内环境以提供生理相关的数据。
在体内,几乎所有组织的细胞都处在由一个复杂三维(3D)结构的细胞外基质(ECM)中,它们和相邻的
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细胞通过生化和机械关系产生着相互作用 。细胞-细胞和细胞-细胞外基质间的相互作用构建成了一个
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用于维持组织特异性和稳态的3D通讯网络 。细胞生命周期的关键事件通过受到周边细胞微环境的控
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制 。2D培养试验中,细胞无法实现类似于体内的结构组织和连接,这使得细胞形态、存活力、增值
能力、分化、基因和蛋白表达、对刺激的反应、药物代谢及一般的细胞功能受到了限制或减弱。
2D培养的限制对临床前基于细胞的药物和毒性筛选试验的可预测性造成了影响。超过90的药物通过
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了体外临床前研究,却在随后的临床实验中未能达到预期的疗效或安全范围 。
癌症药物的失败率更高
5, 12 6,7
,因为2D培养系统常常无法构建有效的肿瘤生物学模型 。而且,在使用2D模型进行临床前药物研
发时,生物利用率和毒物学的研究严重依赖于动物模型的使用。这一高失败率表明动物模型可能并不
适用和/或并非人用治疗方案安全性评测的代表4,16,17 。
为了克服这些短板,大量的3D细胞培养模型在近20年被开发了出来。由于3D模型显著促进了癌生物
学、组织工程和再生医学的研究,又得到了进一步的发展。为此,细胞生物学家们、材料科学家们、
生物医学工程师们以及其他开发更有用的模拟体内环境的3D模型来缩短2D培养与活体组织间差距的
人,携手参与了多学科的研究。越来越多的证据表明,3D培养建立起来的生理细胞-细胞与细胞-细胞
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外基质相互作用可以模拟天然组织的特异性,
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