במחקר ביו-רפואי, הבחירה בין מודלים של 2D ו 3D של תרבות תאים יכולה להשפיע באופן דרמטי על התוצאה של בדיקות סמים ופיתוח. בעוד תרבויות 2D מסורתיות מציעות פשטות ומהירות, מערכות תלת-ממדיות מספקות סביבה רלוונטית יותר מבחינה פיזיולוגית, אשר יותר מאשרת כיצד תרופות יתנהגו באורגניזמים חיים. מאמר זה משווה הן גישות, בחינת נקודות הכוח, המגבלות והיישומים המתאימים שלהם, כדי לעזור לחוקרים לבחור את המודל האופטימלי למחקרים שלהם לפני הטיפול הקליני.

הבנת מודל 2D Cell Culture

שתי ממדים (D) תרבות התא היא השיטה המקובלת של תאים גדלים על משטחים שטוחים, קשיחים כגון מנות פטרי פלסטיק, צלחות מרובותוול, או שקופיות זכוכית. תאים לדבוק על פני השטח להתפשט, להרכיב מונוlayer.טכניקה זו הייתה עמוד השדרה של ביולוגיה תא במשך יותר ממאה שנים בגלל הפשטות, עלות נמוכה, והתאמה עם פלטפורמות סינון גבוה.

היתרונות של 2D מודלים

  • (FLT:0)Ease of use and high Reproducibility:cioFLT) 1 פרוטוקולים סטנדרטיים ו reagents זמין מסחרית לעשות 2D תרבויות פשוט להגדיר ולשכפל מעבר למעבדות.
  • (FLT:0) עלות לואוור והגדרה מהירה יותר: FLT:1 אין ציוד מיוחד עבור פיגומים או ביולוגיים יש צורך, צמצום ההון וההוצאות התפעוליות.
  • (FLT:0) ניתן להגדרה גבוהה של ציוד: גלקסיות 2D ניתן למערך ב 96-, 384-, או 1536-well, המאפשרות טיפול רובוטי אוטומטי ובדיקה מהירה של אלפי תרכובות.
  • (FLT:0) התבוננות מיקרוסקופית ישירה: 1FLT תאים במטוס אחד קל לצלם ולנתח עבור מורפולוגיה, התפשטות וביטוי חלבון.

הגבלות של 2D מודלים

  • (FLT:0)Lack של אדריכלות דמוית רקמות:FreaLT:1 Cells לגדול שטוחה באופן טבעי, לאבד את המבנה התלת מימדי ואת מגעי התא אופייניים רקמות vivo.
  • התנהגות תאים:0 (FLT:1rea) ביטוי ג'ין, חילוף החומרים, רגישות לסמים לעתים קרובות שונה מאלה בגוף.
  • (FLT:0) חיזוי יעילות התרופה:FLT:1 תרכובות רבות המופיעות יעילות ב 2D נכשל במודלים של בעלי חיים או בניסויים קליניים, משום שהתרבות אינה משכפלת את המיקרו-סביבה המורכבת של איברים או גידולים.
  • (FLT:0) חוסר יכולת ללמוד hypoxia או ⁇ s מזינים:FLT:1 במונורוב שטוח, לכל התאים יש גישה שווה חמצן וחומרים מזינים, בניגוד רקמות מוצקות שבו דיפוזיה קיימת.

מודלים של 3D Cell Culture

שלוש-ממדיות (D) שיטות תרבות התא שואפות לשחזר את הסביבה הטבעית של תאים על ידי כך שהם מאפשרים להם לגדול בתוך מטריצה מרחבית.זה יכול להיות מושג באמצעות מערכות מבוססות פיגומים (למשל, הידרוג'ל, ⁇ , ⁇ ⁇ s, de cellized ECM) או מערכות ללא אותות (למשל, spheroids, אוברידיים, תרבויות תלויות).

יתרונות של 3D מודלים

  • (FLT:0) עדיף לחקות בתנאים vivo: ⁇ 1 תאים ב 3D יוצרים מבנים מורכבים עם תא תא תאים ואינטראקציות מטריצה תאים המשפיעים על התנהגותם.לדוגמה, hepatocytes ב 3D spheroids לשמור על פעילות ציטוקומה P450, מה שהופך אותם מעלים עבור בדיקות רעילות כבד.
  • (FLT:0) ייצוג מדויק יותר של תגובות סמים: חדירה של תרופות 1FLT, התנגדות ויעילות ניתן להעריך בתנאים שמשקףים את המיקרו-סביבון הגידול, כולל hypoxia ולחץ בין-דתי.
  • (FLT:0) שימושי ללימוד אינטראקציות תאיות ותא-מטריקס: FLT:1 תרבויות 3D מאפשרות חקירה של כיצד תאים סרטניים לפלוש לרקמות הסובבות או כיצד תאי גזע נבדלים בתגובה לרמזים מכניים.
  • (FLT:0) הסתמכות על ניסויים בבעלי חיים: קיד 1:1) מודלים אנושיים של 3D, כגון פלטפורמות איברים-on-a-chip, יכולים להחליף כמה מחקרים בבעלי חיים תוך מתן נתונים ספציפיים לאדם.

הגבלות של מודלים 3D

  • (FLT:0) מורכבות ועלויות גבוהות יותר: FLT:1 Scaffolds, הידרוג'ל, והצלחות תרבות מיוחדות הן יקרות יותר, והקמת תרבויות תלת-ממדיות צפויות דורשות אופטימיזציה זהירה.
  • (FLT:0)Lower throughputment: 1FLT:1 מערכות 3D רבות אינן תואמות בקלות עם טיפול נוזלי אוטומטי הדמיה, הגבלת השימוש שלהם בהקרנה בקנה מידה גדול.
  • (FLT:0) ציוד מיוחד ומומחיות: FLT:1טכניקות כגון ביו הדפסה, מיקרו-השפעה, ו היווצרות spheroid דורש הדרכה וכלים ייעודיים (למשל, ביולוגיים, מיקרוסקופי מיקוד).
  • (FLT:0) דיפולות בדמיית וניתוח:BuildFLT:1 , Thicker 3D מבנים לפזר אור, הדורש טכניקות מיקרוסקופיה מתקדמות (מוקד, רב-פוטון) עבור הדמיה, וקישור לניתוח תאים יחיד יכול לשנות את מצבי התא.
  • (FLT:0)Lack of Standardization:FLT:1 Protocols להשתנות בין מעבדות, מה שהופך את ההשוואה בין-מחדשת מאתגר.יוזמה כמו הנחיות מבחן ה-OECD עבור מודלים תלת-ממדיים עור מתחילים לטפל בכך.

השוואת 2D ו 3D תרבויות לבדיקת סמים

לשתי המודלים יש תפקידים נפרדים בצנרת פיתוח התרופות.הבחירה תלויה בשאלות הספציפיות הנשאלות ובשלב המחקר.

סקר מהיר וטוקסיקולוגיה

עבור בדיקות ראשוניות של ספריות מורכבות גדולות, 2D תרבויות נשאר תקן הזהב בשל המהירות וההיקף שלהם.עם זאת, מודלים 3D משמשים יותר ויותר עבור בדיקות משניות כדי לאמת להיטים בתנאים פיזיולוגיים יותר.בבדיקות רעילות, ה-FLT:0 ההנחיות של ה-OECD עבור עור vitro עור corrosionFLT:1 עכשיו לקבל 3Ded אנושי אפידרמיסים כמו תחליף לבדיקות בעלי חיים.

מחקר סרטן וכימותרפיה

(הגדלים של הרואין) משכפלים את הקינטיקה של הצמיחה ואת עמידות לסמים של גידולים מוצקים, כולל היווצרות ליבות ערפיליות ואזורים סקנסיים.מחקרים הראו כי ריכוז מעכב למחצה המקסימלי (IC50) של רבים כימותרפיות צ'אפיליות גבוהות משמעותית בתרבויות 3D מאשר ב 2D, המשקפת את החדירה מופחתת והשינויים שניתן לראות ב- vivo לדוגמה, מחקר של 2Fish totens:2Finti) של סרטן רגישה 2D.

תרופות אישיות ומודלים מותחים למטופל

איברים - 3D תרבויות שמקורן רקמות המטופל - הם מהפכה דיוק על אקולוגיה.הם שומרים מאפיינים גנטיים וphenotypic של הגידול המקורי ניתן להשתמש כדי לבדוק רגישות לסמים על בסיס מטופל-על-ידי המטופל.בניגוד לקווי תאים 2D, אשר לעתים קרובות נסחטים מעל מעברים, איברים לשמור על תגובות סמים יציבות במשך כמה שבועות, ומאפשרים תרופות פונקציונליות.

שיקולים טכניים בעת בחירת מודל

תנאי מקור ותרבות

אותו סוג תאים יכול להתנהג בצורה שונה מאוד ב 2D לעומת 3D. לדוגמה, hepatocytes ראשוני לאבד במהירות פונקציות ספציפיות ב 2D אבל ניתן לשמור במשך שבועות ב 3D spheroids. החוקרים חייבים גם לשקול חמצן ו ⁇ s מזינים: ב 3D תרבויות, דיפוזיה מגביל תאים עמידות ל -200-300 מיקרומטר משטח, אשר עשוי לדרוש שימוש של bioreas עבור מבנים גדולים יותר.

מטריקס ובחירת ספוק

(הנפוצים הנפוצים כוללים MatrigelTM, סוג הקולגן I hydrogels, alginate, ופולימרים סינתטיים.כל אחד מציע תכונות מכניות שונות (סנטיפוך, גמישות) המשפיעות על התנהגות תאים.לדוגמה, FLT:0matrix נוקשות הוכח לנהוג מעבר אפיתל-ל-למסנכימי בתאים סרטניים:1, תהליך קריטי במטוזיס 2 לא ניתן ללמוד פלסטיק.

תגית: Readouts

מדד קצה סטנדרטי אומר (MTT, bioluminescence ATP) לעבוד עבור 3D תרבויות לאחר אופטימיזציה זהירה, אבל הדמיה תאי חי הוא מאתגר יותר. חוקרים עשויים להיות צורך להשקיע microscopy או microscopy גליון אור עבור התבוננות בזמן אמת.בנוסף, mRNA וחלבון לחלץ מ 3D מבנים יכול להיות לא יעילים; ערכות מסחריות המיועדות לתרבויות 3D הם עכשיו זמין.

כיוונים עתידיים: בריחת 2D ו 3D

התקדמות במיקרו-קלידיקים וטכנולוגיה של איבר-על-על-ידי שבב מטשטשים את הקווים בין 2D ל- 3D. פלטפורמות אלה משלבות לעתים קרובות 2D מונוlayers עם אזורי ג'ל 3D כדי ליצור מודלים רב-משתתפים שדמיינו אינטראקציות בין איברים-אוורגניים. יתר על כן, אינטליגנציה מלאכותית מוחלת לנתח נתונים הדמיה גבוהה 2D 2D כדי לחזות תוצאות שאחרת יידרשו 3D, עלולות להוריד עלויות תוך שמירה על רלוונטיות פיזיולוגית.

מגמה נוספת היא השימוש ב- 3D ביו הדפסה כדי לייצר מחדש, בנייה מחדש, מוסקולרית של רקמות תלת מימדיות שניתן לחדור עם סמים.המערכות הללו משלבות את הכדאיות של 2D בשפע עם המורכבות האדריכלית של רקמות 3D, והם מאומצים עבור FLT:0regulatory הסמכה על ידי סוכנויות כגון ה- FDAFLT:1.

מסקנה

שום מודל תרבות תא יחיד הוא עליון אוניברסלי עבור בדיקות סמים. 2D תרבויות נשאר חיוני עבור בדיקות בשלבים מוקדמים, מחקרים מכניסטים בסיסיים, ויישומים הדורשים גבוה דרך חישוב. 3D תרבויות מציעים יתרונות הכרחיים למחקרים הדורשים אדריכלות דמוית רקמות, תחזוקה ארוכת טווח, ותגובות תרופות רלוונטיות קלינית.אסטרטגיות קדם קליניות חזקות ביותר משמשות לעתים קרובות הן שיטות: 2D עבור 3D עבור מורכבות ראשונית ו-3D עבור אימות עבור ניסויים מעמיקים ותובנות מעמיקות יותר.