در تحقیقات زیست پزشکی، انتخاب بین مدل های 2D و 3D فرهنگ سلول می تواند به طور چشمگیری بر نتیجه آزمایش و توسعه مواد مخدر تاثیر بگذارد، در حالی که فرهنگ های سنتی 2D سادگی و سرعت را ارائه می دهند، سیستم های 3D یک محیط مرتبط با فیزیولوژیکی بیشتری را فراهم می کنند که بهتر پیش بینی می کند که چگونه داروها در ارگانیسم های زنده رفتار می کنند.این مقاله هر دو رویکرد را مقایسه می کند، بررسی نقاط قوت، محدودیت ها و برنامه های مناسب، به محققان کمک می کند تا مطالعات بهینه سازی را برای مدل سازی بهینه سازی مدل های اولیه خود انتخاب کنند.

درک مدل های فرهنگ سلول 2D

دو بعدی (2D) فرهنگ سلول روش معمول رشد سلول ها در سطوح مسطح، سفت و سخت مانند غذاهای پلاستیکی Petri، صفحات چندول، یا اسلاید شیشه ای است.سلول ها به سطح پایبند هستند و گسترش می یابند، تشکیل یک لایه منفرد، این تکنیک ستون فقرات زیست شناسی سلول برای بیش از یک قرن به دلیل سادگی آن، هزینه پایین، و سازگاری با سیستم عامل های غربالگری بالا (شکل های اضافی) و بافت های پوشش داده شده (polybed بافت های چند منظوره).

مزایای مدل های 2D

  • از استفاده و تکثیر بالا: پروتکل های استاندارد و عوامل تجاری موجود، فرهنگ های 2D را به صورت ساده برای تنظیم و تکرار در سراسر آزمایشگاه ها ایجاد می کنند.
  • هزینه و تنظیم سریع تر: [FLT 1] هیچ تجهیزات تخصصی برای داربست یا بیکاران مورد نیاز است، کاهش هزینه های سرمایه و عملیاتی.
  • برای غربالگری با ظرفیت بالا قابل تنظیم است: فرهنگ 2D را می توان در 96، 384- و یا 1536-well صفحات، اجازه می دهد تا دستکاری رباتیک خودکار و آزمایش سریع از هزاران ترکیب.
  • مشاهده میکروسکوپی مستقیم: سلول ها در یک هواپیما آسان به تصویر و تجزیه و تحلیل برای مورفولوژی، تکثیر و بیان پروتئین است.

محدودیت های مدل های 2D

  • , , {FLT:1} سلول ها به طور غیر طبیعی مسطح رشد می کنند , از دست دادن ساختار سه بعدی و تماس های سلول سلولی معمولی در بافت های داخل بدن.
  • رفتار سلول های جدا شده: بیان ژن، متابولیسم و حساسیت به مواد مخدر اغلب با کسانی که در بدن متفاوت هستند، متفاوت است.
  • ] پیش بینی از اثربخشی مواد مخدر: بسیاری از ترکیبات که در مدل های حیوانی یا کارآزمایی های بالینی موثر به نظر می رسد زیرا فرهنگ محیط پیچیده میکرو اندام ها یا تومورها را تکرار نمی کند.
  • قابلیت مطالعه هیپوکسی یا گرادیان مواد مغذی: در یک مونو لایه مسطح، تمام سلول ها دسترسی برابر به اکسیژن و مواد مغذی دارند، بر خلاف بافت های جامد که گرادیان انتشار وجود دارد.

بررسی مدل های 3D Cell Cultures

روش های سه بعدی (3D) سلول هدف بازسازی محیط طبیعی سلول ها با اجازه دادن به آنها برای رشد در یک ماتریس فضایی است.این می تواند از طریق سیستم های مبتنی بر داربست (به عنوان مثال، هیدروژل، داربست متخلخل، deسلول ECM) یا سیستم های بدون داربست (به عنوان مثال، spheroids، ارگانوئیدها، فرهنگ های آویز 3، شبیه سازی نزدیک به سلول های سیگنال و سیستم های مورفیک و مورفیک.

مزایای مدل های 3D

  • تقلید بهتر از شرایط موجود در بدن: سلول ها در 3D ساختارهای پیچیده با سلول های سلولی و تعاملات سلول-ماtrix که بر رفتار آنها تاثیر می گذارد.
  • نمایندگی دقیق تر از پاسخ های دارویی: نفوذ مواد مخدر، مقاومت و اثربخشی را می توان در شرایطی که منعکس کننده محیط میکروبی، از جمله هیپوکسی و فشار بین المللی ارزیابی.
  • برای مطالعه تعاملات سلول های سلولی و سلول های سلول های سلول های سلول های سلول های سلول های سلول مفید است: فرهنگ های 3D تحقیقات در مورد چگونگی حمله سلول های سرطانی به بافت های اطراف و یا چگونه سلول های بنیادی در پاسخ به نشانه های مکانیکی را فعال می کنند.
  • وابستگی به آزمایش حیوانات: مدل های مشتق شده از انسان 3D، مانند سیستم عامل های ارگانی بر روی تراشه، می تواند برخی از مطالعات حیوانی را جایگزین کند در حالی که داده های خاص انسان را فراهم می کند.

محدودیت های مدل های 3D

  • پیچیدگی و هزینه های بالا: Scaffolds، ⁇ s و صفحات فرهنگ تخصصی گران تر هستند و ایجاد فرهنگ های 3D بازتولیدی نیازمند بهینه سازی دقیق است.
  • از طریق خروجی: بسیاری از سیستم های 3D به راحتی با دستکاری مایع خودکار و تصویربرداری سازگار نیستند، محدود کردن استفاده از آنها در غربالگری بزرگ.
  • تجهیزات و تخصص ویژه: تکنیک هایی مانند بیوتکنولوژی، میکروفلدیک ها و شکل گیری اسیلوئید نیاز به آموزش و ابزارهای اختصاصی (به عنوان مثال، زیست شناسان، میکروسکوپ های گرد و غبار).
  • دشوار در تصویربرداری و تجزیه و تحلیل: ضخامت ساختارهای 3D نور را پراکنده می کند، نیاز به تکنیک های میکروسکوپی پیشرفته (اعتراف، چند فوتون) برای تجسم و تفکیک برای تجزیه و تحلیل سلول های منفرد می تواند حالت سلول را تغییر دهد.
  • {\displaystyleization: پروتکل ها به طور گسترده ای بین آزمایشگاه ها متفاوت هستند، و مقایسه های متقابل مطالعه مانند دستورالعمل های تست OECD برای مدل های پوستی 3D شروع به رسیدگی به این است.

مقایسه فرهنگ های 2D و 3D برای آزمایش مواد مخدر

هر دو مدل نقش های متمایزی در خط لوله توسعه دارو دارند.انتخاب بستگی به سؤالات خاص مورد سوال قرار گرفته و مرحله تحقیق دارد.

بالا-در سراسر صفحه نمایش و سم شناسی

برای غربالگری اولیه کتابخانه های بزرگ ترکیب، فرهنگ های 2D به دلیل سرعت و مقیاس پذیری خود استاندارد طلا باقی می مانند، با این حال، مدل های 3D به طور فزاینده ای برای غربالگری ثانویه برای اعتباربخشی به برخورد تحت شرایط فیزیولوژیکی بیشتر استفاده می شوند.در تست سمیت، دستورالعمل های OECD برای خوردگی پوست vitro [LT:1] در حال حاضر 3D را می پذیرند که جایگزین های انسانی را به عنوان آزمایش های حیوانی بازسازی می کنند.

تحقیقات سرطان و شیمی درمانی

3D تومور بیشتر از بلوغ رشد و مقاومت دارویی (واش های جامد، از جمله تشکیل هسته های نکاتیک و مناطق پر جنب و جوش، مطالعات نشان داده اند که غلظت مهار کننده نیمه حداکثری (IC50) از بسیاری از شیمی درمانی به طور قابل توجهی در 3D فرهنگ نسبت به 2D بالاتر است، منعکس کننده نفوذ و تغییر یافته است.[۱۰]

مدل های پزشکی شخصی و بیمار

ارگانوئیدها – فرهنگ های 3D که از بافت های بیمار مشتق شده اند – بر روی اکولوژی دقیق انقلابی می کنند، آنها ویژگی های ژنتیکی و فenotypic از تومور اصلی را حفظ می کنند و می توانند برای آزمایش حساسیت های دارویی بر اساس بیمار بیمار به بیمار استفاده شوند.

ملاحظات فنی هنگام انتخاب یک مدل

منابع سلولی و شرایط فرهنگی

نوع سلول مشابه می تواند در 2D در مقابل 3D بسیار متفاوت رفتار کند، برای مثال، هگزاتووسیت های اولیه به سرعت عملکرد خاص کبد را در 2D از دست می دهند اما می توانند برای هفته ها در 3D spheroid ها حفظ شوند و همچنین باید اکسیژن و مواد مغذی را در فرهنگ های 3D در نظر بگیرند، گسترش قابلیت زنده ماندن سلول ها را به حدود 200300 μm از سطح که ممکن است نیاز به استفاده از بیوفعول های بزرگتر از ساخت داشته باشد.

انتخاب ماتریس و Scaffold

داربست های رایج شامل MatrigelTM، نوع کلاژن I ⁇ s، Alginate و پلیمر های مصنوعی است.هر یک خواص مکانیکی مختلف (سختی، کشش) را ارائه می دهد که بر رفتار سلول تأثیر می گذارد، به عنوان مثال، matrix سفت و سخت است که نشان داده شده است که انتقال ⁇ al به منشیمشی در سلول های سرطانی [FLT: 1] یک فرایند حیاتی در پلاستیک 2D.

Assay Readouts

Assays استاندارد endpoint (MTT، ATP bioluminescence) برای فرهنگ های 3D پس از بهینه سازی دقیق کار می کند، اما تصویربرداری سلول زنده چالش برانگیز است. محققان ممکن است نیاز به سرمایه گذاری در میکروسکوپ های گرد و یا میکروستبک برای مشاهده زمان واقعی داشته باشند. علاوه بر این، mRNA و استخراج پروتئین از 3D ساخت می تواند ناکارآمد باشد؛ کیت های تجاری طراحی شده برای 3 فرهنگ های موجود در دسترس هستند.

مسیر های آینده: Bridging 2D و 3D

پیشرفت در میکروسیاتیک و تکنولوژی تراشه اندام در حال محو خطوط بین 2D و 3D است. این سیستم عامل ها اغلب ترکیب 2D monolayer با مناطق ژل 3D برای ایجاد مدل های چند بخشی که شبیه سازی تعاملات ارگان شناختی استفاده می شود. علاوه بر این، هوش مصنوعی برای تجزیه و تحلیل داده های تصویربرداری با محتوای بالا برای پیش بینی نتایج که به طور بالقوه 3D فرهنگ نیاز دارند، در حالی که کاهش هزینه های مرتبط با حفظ ارتباط با آن است.

یکی دیگر از روند های در حال ظهور استفاده از چاپ زیستی 3D برای ساخت مجدد، وازهم بافت های بافتی است که می تواند با مواد مخدر ترکیب شود.این سیستم ها قابلیت تکثیر 2D را با پیچیدگی معماری 3D بافت ترکیب می کنند و آنها برای regulatory صلاحیت توسط سازمان هایی مانند FDA پذیرفته می شوند.

نتیجه گیری

هیچ مدل فرهنگ سلولی منفرد به طور جهانی برای آزمایش مواد مخدر برتر نیست. فرهنگ های 2D برای غربالگری زودرس، مطالعات مکانیکی پایه و برنامه هایی که خواستار استراتژی های با نفوذ بالا هستند، مزایای ضروری برای مطالعات نیاز به معماری بافت مانند، نگهداری طولانی مدت و پاسخ های دارویی مرتبط با بالینی دارند. قوی ترین استراتژی های پیش بالینی اغلب از بالینی استفاده از هر دو روش: دقت ترکیب بندی اولیه برای هر یک از آزمایش های برشی و درک دقیق تر از آنها می تواند به حداکثر رساندن وزن و اطمینان بیشتر از جزئیات دقیق و اطمینان از جزئیات بیشتر باشد.