המעבר מתרבות תאים דו-ממדית מסורתית (2D) ועד שלוש-ממדיות (3D) מערכות מייצג את אחד השינויים המתודולוגיים המשמעותיים ביותר במחקר ביו-רפואי. בעוד שתרבויות 2D היו התחריט של ביולוגיה התא במשך עשרות שנים, הם אינם מצליחים לשחזר את הארכיטקטורה המורכבת, רמזים מכניים, תאים ומדליקציה תאים נוכחים ברקמות חיים.

מה הם מקטרי הגל?

הידרוג'ל הוא רשת של רשתות פולימרים הידרופילאריות שיכולות לספוג ולשמור כמויות גדולות של מים - לעתים קרובות עד 90% או יותר של משקלו הכולל.רשתות פולימריות הן מחוסכות פיזית (למשל, באמצעות אינטראקציות איטוניות, מגע מימן, או סבך שרשרת) או כימיקלים (למשל, באמצעות אג"ח קוהור שנוצר במהלך ג'ל).

טבעי לעומת Synthetic hydrogels

הידרוגלs המשמשים בתרבות תאי 3D נופל לשתי קטגוריות רחבות: טבעי וסולן טבעי וסיינטים. הידרוג'ל טבעי נגזר ממקורות ביולוגיים וכולל חומרים כגון קולגן, Matrigel ( תמצית מרומה מרתף מאנגבת'ל-Holm-Swarm עכבר swarm עכבר sarcoma תאים), alginate (ממושך מחומצה ים), חומצה הירקונית, ג'לטין, ו-frin, והם מכילים לעתים קרובות חומרים מכניים (מסוגים) מוגבלים, אך ורק מתאים מכניים (מפרקטיים).

הידרוג'ל סינתטי, לעומת זאת, מונדסים מפולימרים כמו פוליאתילן גליקול (PEG), פוליוויניל אלכוהול (PVA), פוליאקדמייד, או משככי-עצמיים, הם מציעים שליטה מדויקת על נוקשות, קינטיקה, וטכניקות ייצור כימיות יכולות לשלב רצועות סינתטיות מסוימות (למשל, RGD, חוסר רגישות ל-G) כדי ליצור את המורכבות הטבעית של הג'ל.

תכונות עיקריות של הידרוג'ל Matrices עבור 3D Cell Culture

התאמתו של הידרוג'ל לסוג תאים מסוים או מטרה ניסיונית תלויה במספר פרמטרים פיזיים וכימיקליים.הבנת תכונות אלה מאפשרת לחוקרים לבחור או מהנדס ממטריקס אופטימלי.

Stiffness (Elastic Modulus)

צלולי תאים ולהגיב למאפיינים המכניים של הסביבה שלהם באמצעות תהליכים כגון mechanotransduction.הנוקשות של הידרוג'ל, שנמדדת בדרך כלל בפסקל (Pa), יכולה להשפיע באופן דרמטי על הגוון של תאי גזע, התפשטות תאים, וההגירה. לדוגמה, ג'לים רכים (0.1-1 kPa) מעדיפים שינוי עצבי או אדפטוגרפיון, בעוד ג'לים נוקשים (1030- kPa) מקדמים את או את או את או את האוסטאוג'ורג'ורג'ורג'ימפנזהאמפטנג'ימפנזהאמפוגניים עם ריכוז מולקולרי, עם ריכוזים.

בושם ו Diffusion

מכיוון שאין אספקת דם במבנה תלת-ממדי, תאים מסתמכים על דיפוזיה באמצעות הידרוג'ל לחמצן, חומרים מזינים וחילופי פסולת. נפיחות יעילה היא קריטית: פצעים חייבים להיות גדולים מספיק כדי לאפשר תנועה מקרומולקולית אבל לא כל כך גדול כי תאים אינם תומכים פיזית. הידרוג'לים רבים יש גדלים פוארים בין 5 ל-200 ננומטר, אשר מספיק עבור מולקולות קטנות אך יכול לבנות מגבלות של זמן רב יותר כמו הידרוגניבות.

הערכה ושיפוץ

תאים באופן פעיל לעצב את הממטריקס סביבם על ידי סודיות מתכתloproteins (MMPs) ואנזימים אחרים. אידיאלי, הידרוג ' צריך לכווץ בקצב שמתאים היווצרות של ניקלטריקס.אם השפלה היא מהירה מדי, התמוטטות פיגומה; אם איטי מדי, זה מגביל את צמיחת התאים ואת מריצה depositions Synthetic יכול להיות מהנדס עם תאים גמישים, כמו מכניקה טבעי, מאפשר corded.

Bioactivity ו- Biochemical Cues

ב Native ECM, תאים מוקפים תערובת מורכבת של גורמים צמיחה, חלבונים מתחועים, גליגליצומניקנים. Hydrogels יכול להיות פונקציונלי עם מולקולות אלה כדי לקדם תגובות תא ספציפיות.הגישה הנפוצה ביותר היא ל conjugate RGD peptides (מ- fibronectin) כדי למנוע גירויים מדבקים אחרים.

יתרונות השימוש ב- Hydrogel Matrices

השינוי בין 2D ל 3D תרבות באמצעות הידרוגלס מביא יתרונות רבים אשר אושרו על פני סוגים רבים של תאים ויישומים.

התנהגות תאית ומציאותית

הידרוגלs לשחזר תכונות מפתח של ECM הילידים: הם מספקים תמיכה פיזית, להציג ligands דביקות בשלושה ממדים, ומאפשר תאים לאמץ את המורפולוגיה הטבעית שלהם.ב 2D, תאים נאלצים לצורות שטוחות, אשר יכול לשנות ביטוי גנים וסמן. לדוגמה, hepatocytes ב 2D מאבד במהירות פונקציות ספציפיות של כבד כגון סודיות, בעוד 3Drigalgicial או תאים כגון תאים מתכתיים.

התאמה ושקיפות

יתרון גדול אחד של הידרוגלס הוא שניתן להתאים אותם לדרישות של כמעט כל סוג תא או שאלה ניסיונית. Stiffness יכול להיות תואם לרקמות הילידים; שיעור ההשפלה יכול להיות מותאם; גורמים גדילה ניתן לטעון עבור שחרור מבוקר; ואת הגיאומטריה ג'ל יכול להיות מוגדר (למשל, באמצעות מיקרווולים או הדפסה ביולוגית).

בדיקות סמים משופרות וצמצום השימוש בבעלי חיים

פיתוח תרופות סובל משיעורי הקרנה גבוהים, בין השאר בגלל ש- 2D תא אסימונים ומודלים בעלי חיים לעתים קרובות נכשלים לחזות תגובות אנושיות.תרבויות תלת-ממדיות מבוססות הידרוגל מייצרות יותר פרופילים רגישים לתרופות רלוונטיות קלינית.לדוגמה, גידולי טבע שגדלו ב הידרוג'ליסטים מראים התנגדות ל- CQQQQQQQIRLS (החומרים של תרופות) אשר יעילים נגד 2Dlayer, מתאימים יותר ל-Revances-FRED-FRE, באמצעות מודלים מוקדמים של תרופות, יכולים לשפר את מודלי-FD-FD) של טיפול תרופתיים של טיפול תרופתיים (D) אשר יכולים לשפר את הפחתת תרופות (הפחתת תרופות (D) אשר יעילים) אשר יעילים נגד 2D) ולהפחית את הפחתת בדיקות יעילות) של 2DPSD) ב-Reductions 3D) עם מודלים של טיפול ב-Reductions-Reductions-Reductions) אשר יעילים עם מודלים של טיפול ב-Reductions-Reductions-Reductions 3D-Reductions) אשר יעילים נגד 2D-Reductions) אשר יעילים נגד 2D-Reductions-Reductions-Reductions-

תרבות ארוכת טווח ולימודי מכניסטים

הידרוגלס תומך תקופות תרבות מורחבות - ימים עד חודשים - ללא צורך לעבור (נסופסיה) זה מאפשר לחוקרים ללמוד חשיפה כרונית של סמים, רקמות, ותהליכים תאיים איטיים כגון גיל ההתבגרות או fibrosis. בנוסף, הסביבה 3D מאפשרת מחקר משותף של סוגים תאים מרובים, המאפשר בניית מערכות מרובות תאים המחקים מיקרו-מוחמנטאליים, תאים דלקתיים, דלקתיים, או תאים פגומים, דלקתיים, או תאים פגומים, כדי דלקתיים, או תאים פגומים, כדי דלקתיים, או תאים פגומים, כדי דלקתיים, או תאים פגומים, או תאים פגומים, או תאים פגומים, או תאים פגומים, או תאים פגומים, דלקתיים, כדי להיות מחוסנים, או תאים פגומים, כדי דלקתיים, כדי דלקתיים, או תאים פגומים, כדי להיות מחוסנים, דלקתיים, או תאים פגומים, או תאים פגומים, תאים פגומים, כדי דלקתיים, או תאים פגומים, כדי דלקתיים, כדי דלקתיים, דלקתיים, כדי דלקתיים, כדי דלקתיים, או תאים פגומים, כדי דלקתיים, תאים פגומים, דלקתיים, כדי להיות מחוסנים, כדי להיות מחוסנים, תאים פגומים, כדי להיות מחוספסים, תאים פגומים, כדי להיות מחוסנים, תאים פגומים, תאים פגומים, תאים פגומים,

יישומים במחקר וברפואה

מזחלות הידרוגל מועסקים כעת על פני ספקטרום רחב של שדות ביו-רפואיים. להלן הם אזורים מרכזיים שבהם הם השפיעו על השפעה משמעותית.

מחקר סרטן ו Tumor Modeling

גידולים מוצקים אינם המונים הומוגניים - הם מכילים תאים סרטניים, תאים סטריליים, תאים חיסוניים, ו- ECM צפופים הידרוג'ל מאפשרים לחוקרים לשחזר את המיקרו-סביבה עם קשיחות מבוקרת, ⁇ חמצן, והרכב התאי.לדוגמה, תאי גליבוסטומה כאלה, אשר ציפו לתאים חד-גנטיים המבוססים על חומצה היאלונית, מראים התנגדות פולשנית יותר ומנוגדת לתופעות לוואי של סרטן, בהשוואה לתאים טבעיים של סרטן מסוג 2Dicial:

רפואה חדשנית והנדסת Tissue Engineering

הידרוג'ל משמש כאפקטים לתיקון רקמות והתחדשות.עבור תיקון העצם, תאים אוסטיאוגניים מלוכדים במהירויות קשיחות, הידרוג'ל מינרלים (למשל, PEG-hydroxyapatite מורכב) ו מושתלים לתוך פגמים.עבור תיקון הידרוג'ל פולשנית, הידרוג'ל עם חיכוך נמוך ותוכן מים גבוה (למשל, alginate או Hyuronic) phenicicated pheniciveicated phenoliciveicial חומצה phenicated pheniciveolicated phenicated phenicive phenicive phenicated phenicive phenicive phenicive phenicated phenicive phenicive phenicated phenicive phenicive phenicive phenicive phenicive phenicive phenicive phenicive phenicated phenicated phenicated חומרים phenicated phenicated phenicive חומצה phenicive phenicOS (R.com) לאחר phenicated phenicated phenicated phenicoltraxic פצעי

גילוי סמים וטוקסיקולוגיה

חברות תרופות יותר ויותר לאמץ תרבות תאים תלת-ממדית באמצעות הידרוג'לקס עבור בדיקות סמים בשלבים מוקדמים. Liver spheroids hydrogels לשמור על פעילות ציtochrome P450 במשך שבועות, מה שהופך אותם בעלי ערך עבור hepatotoxicity Assays. cardiac microtissues in ג'לטין methacrylo (GelMA) יכול לנצח באופן סינכרוני, המאפשר לקפליום microtiotoxicity 85 אחוזים של תאים אלה הוא אינדקס aclid.

פלטפורמות אורגן-on-a-Chip Platforms

באמצעות מכשירים מיקרו-השפעהיים לעתים קרובות לשלב רכיבי הידרוג'ל דק כדי ליצור ממשקי רקמות-tissue.לדוגמה, ריאות-on-a-chip משתמשת ⁇ hydrogel membrane כדי להפריד את alveolar אפיתליום מן ה- Endothelial capillary. a gut-on-a-chip עשוי להשתמש ב- hydrogelold אשר תומך אפילפסיה העיכולalic viology המשמשים כיום, כלומר, שימוש ב-microchisicials-cotchicials-cotchic.

אתגרים ושיקולים

למרות היתרונות שלהם, הידרוג 'מפלקסים אינם ללא מגבלות.אתגר גדול אחד הוא להשיג הפצה אחידה תאים במהלך encapsulation. Cellיישב או aggregation יכול להוביל microenvironments משתנים בתוך אותו בניין. חוקרים פנו לזה באמצעות ערבוב במהלך ג'לציה, שימוש בפתרונות טרום גלאוטוזיס, או ביו-הדפסינג. בעיה נוספת היא חומרים מזינים וחמצן: מבנים עבים יותר מכמה קמצמיים ממיקרו-קרבים יכול לפתח חיידקים דמויי-מיקרו-מיקרו-קרב (למשל) באמצעות צינורות לבבים (מדומים).

יעילות נשארת דאגה, במיוחד עם הידרוגלס טבעי המשתנה על ידי הרבה. Standardization של פרוטוקולים ושיטות אפיון, כגון rheology ומדידות נפיחות, הוא קריטי להשוואה בין-מחדש. hydrogels סינתטי מציעים יעילות טובה יותר אבל דורש תכנון זהיר להציג את הרמזים המתאימים. Costs ו-Cropability גם מעכבים נרחבים בתעשייה, למרות פיתוח של חלבונים recombining ו- ECMating פלטפורמות הוא נמוך יותר.

כיוונים עתידיים

השדה של תרבות תאי תאי תלת-ממדית מבוססת הידרוגל מתפתח במהירות.כיוון מרגש אחד הוא שילוב של (FLT:0 דינמי ותגובה הידרוג'לסFLT:1 אשר משנה את תכונותיהם בתגובה לגירויים חיצוניים (אור, טמפרטורה, pH, או פעילות אנזאית) כזה הידרוג'ל "חכם" יכול לחקות את השיפוץ המתרחש במהלך התפתחות או מחלה.

Bioprinting מתקדם משכבות ג'ל פשוטות ועד מבנים מורכבים, רב-חומריים הכוללים תאים, גורמי צמיחה וסוגים ג'ל שונים בדפוסי מרחביים מדויקים. בשילוב עם microfluidics, טכנולוגיות אלה יכולות לייצר גרציות רקמות פונקציונליות להשתלת.סוף, השילוב של הידרוג'ל עם דימות גבוהות ומכונה יאפשר ניתוח אוטומטי של התנהגות תא ב 3D, תגלית תרופה מאיצה.

מסקנה

הידרוגל מסטריצות הפכו את התרבות התאית 3D מטכניקה נישה לכלי מרכזי שמגשר על הפער בין מדדים פשוטים 2D ומודלים מורכבים של בעלי חיים.היכולת שלהם לחקות את הממטריקס הקדם-מימדיני - מבחינה מכנית, ומבנית - תאים קלים כדי ללכוד באופן מציאותי יותר, מוביל תובנות טובות יותר לתוך פיזיולוגיה, מחלה, ופעולה בסמים.