מחקר הסרטן נכנס לעידן טרנספורמטיבי עם הופעתם של מודלים תלת-ממדיים (3D) מיקרו-סביבה.מערכות מעבדה מתקדמות אלה משכפלות את התנאים הפיזיים, הכימיים והביולוגיים המורכבים בגוף האדם, ומציעות תובנות רבות יותר פיזיולוגיות יותר מאשר תרבויות תאים מסורתיים של סרטן, ובכך מאפשרות לתאי סרטן להתפתח ולשלב אינטראקציה בתוך שטח תלת-ממדי שלם עם רכיבים ביולוגיה תאיים נוספים, מודלים אלה בין תאים פשטניים לבין תאים דינמית בלבד (D) לבין תאים 3D בלבד (D) לבין תאים תלת-ממדיים (D) לבין התפתחותיים בלבד (D-ממדיים בין תאיים) לבין 3D) לבין 3D בלבד, בין תאיים בין תאיים (D בלבד) לבין מודלים של 3D בלבד, כלומר: 3D) לבין התפתחותיים (D) לבין מודלים של 3D-ממדיים בין תאי גזע 3D) לבין מודלים של סרטן, בין תאיים בין תאיים בין תאיים בין תאי גזע 3D) לבין התפתחות של סרטן, לבין מודלים של סרטן דינמית (D בלבד, בין תאי גזע 3D בלבד, בין תאי גזע 3D בלבד, בין תאי גזע 3D) לבין התפתחות של 3D) לבין מודלים של סרטן, בין תאי גזע 3D בלבד,

מה הם 3D Microenvironment Models?

מודלים מיקרו-סביבה תלת-ממדיים נשלטים על ידי בניית תכונות מבניות ופונקציונליות של גידול הילידים של גידול.בניגוד משטחים הפלסטיים החרישיים של מנה של תרבות 2D, מודלים אלה מספקים מספר תלת-ממדי או השעיה המחקה את המטריקס הנוסף (ECM) ומאפשרת לתאים לאמץ צורות טבעיות, קוטביות, וסידורים מרחביים.

ההבדל הבסיסי הוא במימדליות: תאים סרטניים שגדלו ב 2D, נאלצים לתוך מונושכבת שבו יש להם גישה בלתי מוגבלת לחומרים מזינים וחמצן, והם לעתים קרובות מאבדים את המאפיינים השונים שלהם.ב 3D, תאים להתארגן לתוך אשכולות, spheroids, או או איברים אשר מפתחים דיפוזיה, מרבים בקצב שונה של הליבה מול הפריפריה, וסוד שלהם תכונות EFD, ישירות כדי להפוך את האפקטים של 3Dicials, ואפקטים של התפתחות אופטית של תאים:

יתרונות מרכזיים על פני תרבות 2D המסורתית

אימוץ מודלים של מיקרו-סביבון 3D מציע מספר יתרונות קריטיים לשיפור הרלוונטיות התרגומים של מחקר סרטן:

  • (FLT:0) התנהגות תא וביטוי גנים: FIRLT:1 תאים תרבות ב 3D לאמץ יותר FLT:2in vivoveFLT 3-like מורולוגיות וגני ביטוי מעורבים בדבקות, פלישה, וסמים efflux שונה מאשר עמיתיהם 2D. זה מוביל לתחזיות מדויקות יותר של גידולים יגיבו לטיפול.
  • (FLT:0) יצירה של אינטראקציות גידול-סטרומה: תאי סרטן ראטאל:1) אינם קיימים בבידוד; הם מתקשרים כל הזמן עם סביב fibroblasts, תאים חיסוניים, ומודלים של 3D של תרבות משותפת מאפשרים לחוקרים להתבונן כיצד סטרמה משפיעה על פלישה תאים סרטניים, הישרדות, ו ⁇ של התקפה חיסונית.
  • (FLT:0) בדיקות סמים מוכחות ובדיקת רעילות: ⁇ FLT ( 1:1 חדירה לסמים ויעילות מושפעות באופן דרמטי מהאדריכלות התלת מימדית של גידול.תאים בליבת של spheroid לעתים קרובות הופך quiescent או hypoxic, חיקוי אזורים של גידולים מוצקים עמידים לכימותרפיה.
  • (FLT:0) לימוד של metastasis ופלישה: OVAFLT:1 על ידי הטמעת תאים סרטניים בתוך הידרוג'ל דמוי ECM או באמצעות מכשירים מיקרו-fluidic, החוקרים יכולים לדמיין באופן ישיר ולכמת תהליכים של פלישה, חדירה, ותוספתן - אפילו לא ניתן ללמוד בתרבויות 2D סטנדרטיות.
  • (FLT:0Cell קוטביות וארגון:FLT:1) תאי סרטן אפיתל, למשל, יוצרים מבנים מקוטבים אנפיליים-בסיסיים ב 3D שדומים לאדריכלות glandular. Disruption של קוטבי זה הוא סימן ההיכר של סרטן, ורק 3D מודלים יכולים ליישב תכונות אלה.

יתרונות אלה הפכו מודלים תלת-ממדיים הכרחיים עבור ביולוגיה סרטן בסיסית והערכה רפואית, והם יותר ויותר מצריכים סוכנויות רגולטוריות עבור סוגים מסוימים של אסימונים.

שיטות לפיתוח מודלים של 3D Microenvironment

מגוון של טכניקות פותחו כדי לבנות מודלים של סרטן תלת מימדי, כל אחד עם נקודות חוזק, מגבלות ושימוש במקרים. בחירת השיטה תלויה בשאלה המחקרית הספציפית, בסוג הסרטן, ואת הצורך בעומס או מורכבות.

תגית: Spheroids

Spheroids הם המודלים ה 3D הפשוטים ביותר, שנוצרו על ידי aggregating תאים סרטניים לתוך אשכולות spherical. הם יכולים להיות מיוצרים באמצעות צלחות טיפות תלייה, משטחים דלתיים, או ספיננר flasks. Spheroids הם מאוד התחדשות וניתן למחיש לבדיקות גבוהות של קידוד, מה שהופך אותם לעבודה למחקרי יעילות סמים.

איברים

איברים הם ארגון עצמי, מבנים תלת-ממדיים זעירים שמקורם בתאי גזע או ביופסיה של גידול המכילים סוגים תאים מרובים ובודדים תכונות מפתח של רקמת ההורה. .איברים רבי-ממדיים שמקורם בחולי גזע (PDOs) הפכו חזקים במיוחד עבור תרופות מותאמות אישית, שכן הם משנים את הטרוגניציה הגנטית והאמפפטית של הגידול המקורי יכול להיות מורחב עבור סרטן המעי הגס והדגימה המוקדמת של סרטן, כמו גם את ההשפעות של סרטן ה-אומטיות של סרטן, כמו גם את ההשפעות של סרטן ה-מדומים של סרטן, כמו גם את ההשפעות של סרטן הרחם של סרטן הרחם.

הידרוג'ל ומודלים המבוססים על סקפרולד

הידרוגלס - רשתות של פולימרים הידרופיליים המחקים את ECM - הם בשימוש נרחב להטביע תאים סרטניים בסביבה 3D. חומרים נפוצים כוללים קולגן I, Matrigel ( תמצית מרומה מרחץ מרתף מאנגבת-הומו-סווארם נוקשות תאים), אלט, חומצה היאלורונית, ופולימרים כגון חומצה פולימרים פוליתיים כגון חומצה פוליתית, מינרלים מורכבים לנפיחות פיזית, כדי לגרום לנפיחות פיזית של תאים CMGulenticialdolic).

Bioprinting

3D bioprinting הפיקדונות חיים ושכבת ביו-חומרים על ידי שכבה כדי לבנות מוגדר, משטח מאורגן רקמות לבנות. טכנולוגיה זו מאפשרת יצירת מודלים מורכבים, רב-ממדיים הכוללים סוגים מרובים של תאים, ערוצי פולשניים, ודפוסי ⁇ .מודלים גידול מוטבעים משמשים כדי ללמוד אינטראקציות תאים ספציפיים, שילוב טיפולים, ומהנדסים vasated גידולים, בעוד שעדיין יקר יותר ודורשים שיטות ביו-פרו-פרו-פרו-תיות גבוהות יותר, ומאובטחות, הוא מסוגלות, הוא שיפור מהיר יותר, והוא יוצר שיטות בקרה של סרטן, ואפקטיביות גבוהה יותר, והוא משלבת-פרו-פרו-פרו-פרו-פרו-פרו-תאים, והוא יוצר במהירות גבוהה יותר, והוא משלבת-פרו-ת-אופטימיות-אופטימיות-אופטימיות-אופטימיות-אופטימיות-אופטימיות-אופטימיות-אופטימיות-אופטימיות-פרו-פרו-אופטימיות-אופטימיות-פרו-פרו-ממדיות-ת-אופטימיות-אופטימיות-אופטימיות-מחדשניות, באמצעות שיטות בקרה, באמצעות שיטות בקרה, והוא משלבת-ת-אופטימיות-קודמות-קודמות-

Microfluidic "Tumor-on-a-Chip"

מכשירים מיקרו-השפעה משלבים ערוצים, תאים ושסתום כדי לשלוט בדיוק בזרימת נוזל, אספקת מזון, הסרת פסולת, יצירת סביבות תרבות 3D דינמיות. פלטפורמות "על-על-עצ'יפ" אלה יכולים לשלב סוגים מרובים של תאים, ECM, ⁇ חמצן, ואפילו להפיץ תאים חיסוניים כדי לעצב את המיקרו-סביבה ומיקרו-מוח חיסוני הם בעיקר חזקים עבור תאים מתקדמים, אך הם מציעים רמות מיקרו-דלקתיות גבוהות יותר, אך הם עדיין על פני תאים סטנדרטיים, אך הם מציעים על-מוח גבוה יותר, אך הם מציעים על פני תאים סטנדרטיים, אך הם עדיין על פני תאים סטנדרטיים, אך הם מציעים רמות מיקרוסקופיים, אך הם עדיין על פני תאים סטנדרטיים יותר, אך הם מציעים על-מוחניים גבוהות יותר, אך הם מציעים על-מוח.

יישומים במחקר סרטן

מודלים של מיקרו-סביבון 3D מוחלים כעת על פני כל צינור המחקר לסרטן, מביולוגיה בסיסית לגילוי סמים ותכנון טיפול מותאם אישית.

  • מחקרים:0 (Metastasis:FLT:103) על ידי הטמעת תאים סרטניים ב ECM או באמצעות שימוש ב- microfluidic פלישה אסימונים, החוקרים יכולים לכמת כיצד נוקשות מטריצה, ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ תאים סטרילי ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) בדיקת ופיתוח: FLT:1ir חברות תרופות יותר ויותר מאמצים 3D spheroid ו-Orberoid Assays בגילוי מוקדם של סמים כדי להפחית חיובי כוזב וחיזוי טוב יותר תוצאות קליניות. 3D מודלים יכולים לשמש גם עבור הדמיה תוכן גבוה כדי להעריך אפקטים סמים על מורפולוגיה תאים, התפשטות, ו aפופוזיס בתוך הארכיטקטורה של הגידול.
  • (FLT:0) תרופות מותאמות אישית: ⁇ FLT:1 משככי כאבים המטופל (PDOs) ו explants משמשים כדי לחזות תגובות גידול בודדים לכימותרפיה, סוכנים ממוקדים, ו immunotherapies.שחיתות בין רגישות לסמים אוניברואי מטופלים גדל, וכמה ניסויים קליניים משלבים בדיקות המבוססות על PDO כדי להנחות החלטות טיפול.
  • (FLT:0) Immuno-oncology: ההרחבה מודלי הכוללים תאים סרטניים, תאים סטריליים ותאים חיסוניים (למשל, תאי T, מקרופילים) מאפשרים לחוקרים ללמוד חדירה חיסונית, חסימת מחסום, ויעילות תאים של תאים בקונטקסט רלוונטי יותר.
  • (FLT:0) לימוד של הטרוגניות והאבולוציה: FLT:1 ריצוף תאים בודדים ודמיית חיים של איברים משיל אור על כמה גיוון גנטי וphenotypic בתוך גידול עולה וכיצד הוא מגיב ללחץ סלקטיבית. 3D מודלים מאפשרים מחקרים אלה להתבצע בהגדרה מבוקרת אך פיזיולוגית רלוונטית.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה שלהם, מודלים של מיקרו-סביבון 3D עומדים בפני מספר אתגרים משמעותיים שיש לטפל בהם לאימוץ רחב יותר ונאמנות ביולוגית מוגברת.

  • (FLT:0) שכפול מורכבות גידול מלאה: FIRLT:1) רוב המודלים הנוכחיים עדיין חסרים מרכיבים מרכזיים כגון vasculature פונקציונלי, תא חיסוני דינמי, ואת ה ⁇ s ביוכימיים המדויקים הקיימים בגידולים אנושיים.
  • (FLT:0)Standardization and Reproducibility: ibph:1 וריאציות ב ECM אצווה (במיוחד Matrigel), מקורות תאים, פרוטוקולי תרבות, וטכניקות מדידה מסבך השוואות בין-ממדים ומגבילות את הסקאלות התעשייתית. Efforts לפתח מטבוליות סינתטיות ופלטפורמות אוטומטיות מתקדמות אך עדיין לא מאומצמות באופן נרחב.
  • (FLT:0)Scale ו-Tput:FLT:1Build Models (למשל, אובסטרואידים, שבבים מיקרו-השפעהיים) הם בעלי תוכן נמוך ודורשים מומחיות מיוחדת.עבור בדיקות תרופות בקנה מידה גדול, מודלים spheroid פשוטים יותר עדיין מועדפים, אבל הם להקריב מורכבות.
  • (FLT:0)Cost and נגישות:FLT:1 מרכיבים באיכות גבוהה ECM, גורמי צמיחה, ביו-printers ו- microfluidic ההתקנה הם יקרים, מגבילים את השימוש שלהם למעבדות וחברות ממומנות היטב.Efforts לשתף פרוטוקולים ולפתח עיצובים קוד פתוח עשויים לעזור לדמוקרטיזציה גישה.
  • (FLT:0) גידול של תאים חיסוניים וvasculature:FLT:1 הגידול מיקרו-סביבון כולל אוכלוסייה דינמית של תאים חיסוניים ורשת רב-לשונית צפופה. Co-culturing תאים חיסוניים עם 3D גידול בנייה הוא אפשרי אבל דורש שליטה זהירה של אמצעי התקשורת וציטוקין כדי למנוע הפעלה חיסונית או מוות וחילוניזציה גדול נשאר מחושבת, אם כי הם מתקדמים רשתות מיקרו-מדומים לאחרונה.

התייחסות לאתגרים אלה תדרוש שיתוף פעולה בין ביולוגים, מהנדסים, מדענים חומריים, ומודלים חישוביים של טכנולוגיות תרבות תלת-ממדיות חיונית כדי להגדיל את האימוץ והאמינות שלהם למחקר אקדמי ולתרגום קליני.

כיוונים עתידיים

הדור הבא של דגמי המיקרו-סביבה 3D נועד לדחוף מעבר למגבלות הנוכחיות על ידי שילוב של יותר תכונות של ה-FLT:0in vivoveFLT:1 הסביבה ומינוף טכנולוגיות חדשות.

  • (FLT:0) אינטגרציה של מיקרו-קלודיקים ו-Ornycs-on-a-chip:03:1 שילוב של מחזור מיקרו-השפעהי עם תרבות 3D יאפשר מודלים לבודד תהליכים דינמיים כגון היתוך סמים, סחר תאים חיסוני, ו- ⁇ s חמצן. שבבים רב-אורגניים המחברים מודלים של גידול עם כבד, לב, או ריאות יאפשרו מחקרים של רעילות ומטוזיס בו-זמנית.
  • (FLT:0) מודלים ספציפיים של biopsies נוזלי: ⁇ FLT ( 1 Circulating תאים סרטניים (CTCs) ניתן להשתמש כדי ליצור מודלים תלת-ממדיים המשקפים את ההטרוגניות של מחלה מגרורתית.
  • (FLT:0) דימות תוכן גבוהה ואינטליגנציה מלאכותית:FreaLT:1 ; מיקרוסקופיה אוטומטית בשילוב עם אלגוריתמי למידה עמוקה יכול לחלץ נתונים phenotypic עשיר מתרבויות תלת-ממדיות, זיהוי שינויים עדינים במורולוגיה התא, אדריכלות המושבה ותגובה לסמים. AI יכול גם לעזור לייעל את תנאי התרבות ולנבא תוצאות המטופל ממסך סמים של איברים.
  • (FLT:0)-תרבות עם רכיבים חיסוניים:FLT:1 משלב תאים חיסוניים מאונוגדים-דרציים של המטופל (תאים מונוגר גרעין היקפיים, לימפוציטים של גידול) למודלים 3D יהיה קריטי להערכת immunotherapies. 3D מודלים אשר מחדש את המיקרו-סביבהגידול המדוייק כבר בשימוש כדי לחקור ולטפל בתאים.
  • (FLT:0)Synthetic ו Tuble biomaterials:cioFLT ( 1) מתרחק מ Matrigel בעל חיים בעל חיים מוגדר, הידרוגלים סינתטיים ישפרו את הכדאיות ואת קבלת רגולטורית. החוקרים מעצבים הידרוגלים עם שליטה מדויקת על נוקשות, נחיתות ומצגת ligand כדי ללמוד באופן שיטתי כיצד תכונות ממטריקס להשפיע על התקדמות סרטן.
  • אסטרטגיות של אנדלוסיה:0 (Vascularization אסטרטגיות:FLT:1 טכניקות כגון הדפסה מקרית, רשתות סלוטליות הערכה עצמית, והנדסת מיקרוטמים מיקרו-טלטלניים מראש מאפשרות יצירת מיטות פולשניות בלתי ניתנות לפז בתוך מודלים של 3D גידולים.

ככל שהטכנולוגיות הללו בוגרות, דגמי המיקרו-סביבון 3D יהפכו להיות אפילו יותר אינטגראליים למחקרי גילוי בסיסיים ותרגום תרגומים.היכולת שלהם לספק תובנה מכניסטית תוך שמירה על רלוונטיות קלינית מציבה אותם ככלי חיוני בעשור הבא של תאולוגיה.

מסקנה

הפיתוח של מודלים של מיקרו-סביבה 3D מייצג שינוי פרדיגמטי מתרבויות 2D למערכות נאמנות ביולוגית יותר עבור חקר סרטן. על ידי החזרת תכונות מפתח של הנישה הגידול - אדריכלות מחזורית, אינטראקציות תאים תאים, ECM הרכב, ו diffusion ⁇ s - מודלים אלה לספק נתונים מדויקים יותר על התנהגות תאים, תגובות סמים, וסטרום-צלב בעוד שחוקרים הקשורים לתפקוד ביולוגי, הם עדיין לא רק כדי לפתח תהליכים כימיים.