जैव चिकित्सा अनुसंधान में, 2D और 3D सेल संस्कृति मॉडल के बीच विकल्प नाटकीय रूप से दवा परीक्षण और विकास के परिणाम को प्रभावित कर सकता है। जबकि पारंपरिक 2D संस्कृति सादगी और गति प्रदान करती है, 3D सिस्टम एक अधिक शारीरिक रूप से प्रासंगिक वातावरण प्रदान करते हैं जो बेहतर भविष्यवाणी करते हैं कि कैसे ड्रग्स जीवित जीवों में व्यवहार करेंगे। यह लेख दोनों दृष्टिकोणों की तुलना करता है, उनकी ताकत, सीमाओं और उपयुक्त अनुप्रयोगों की जांच करता है, शोधकर्ताओं को उनके पूर्व नैदानिक अध्ययन के लिए इष्टतम मॉडल चुनने में मदद करता है।

2D सेल संस्कृति मॉडल को समझना

दो आयामी (2D) सेल संस्कृति फ्लैट, कठोर सतहों जैसे प्लास्टिक पेटी व्यंजन, बहुउद्देशीय प्लेटों, या ग्लास स्लाइड पर बढ़ती कोशिकाओं की पारंपरिक विधि है। सेल सतह का पालन करते हैं और फैलते हैं, एक मोनोलायर बनाते हैं। यह तकनीक कोलेजन या fibronectin जैसे इसकी सादगी, कम लागत और उच्च-थ्रूपुट स्क्रीनिंग प्लेटफार्मों के साथ संगतता के कारण एक सदी से अधिक सेल बायोलॉजी की रीढ़ रही है। आम सब्सट्रेट में ऊतक संस्कृति का इलाज पॉलीस्टाइन और ग्लास अतिरिक्त सेलुलर मैट्रिक्स (ECM) प्रोटीन जैसे कोलेजन या fibronectin के साथ लेपित होता है।

2D मॉडल के लाभ

  • Ease of use and high reproducibility: मानकीकृत प्रोटोकॉल और व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अभिकर्मकों ने प्रयोगशालाओं में स्थापित करने और दोहराने के लिए 2D संस्कृतियों को सीधा बनाया है।
  • ]कम लागत और तेजी से सेटअप: मचान या बायोरेक्टरों के लिए कोई विशेष उपकरण की आवश्यकता नहीं है, जिससे पूंजी और परिचालन खर्च दोनों को कम किया जा सकता है।
  • ]] उच्च-थ्रूपुट स्क्रीनिंग के लिए उपयुक्त: 2D संस्कृतियों को 96-, 384-, या 1536-वेल प्लेटों में व्यवस्थित किया जा सकता है, जिससे स्वचालित रोबोटिक हैंडलिंग और हजारों यौगिकों के तेजी से परीक्षण की अनुमति मिलती है।
  • Direct microscopic अवलोकन: एक विमान में सेल छवि के लिए आसान हैं और आकृति विज्ञान, प्रसार और प्रोटीन अभिव्यक्ति के लिए विश्लेषण कर रहे हैं।

2D मॉडल की सीमा

  • ]] कोशिकाओं को प्राकृतिक रूप से फ्लैट विकसित होते हैं, तीन आयामी संरचना और सेल सेल सेल सेल संपर्कों को विवो ऊतकों की विशिष्ट खो देते हैं।
  • ]Altered cell व्यवहार: जीन अभिव्यक्ति, चयापचय, और दवा संवेदनशीलता अक्सर शरीर में उन लोगों से भिन्न होती है। उदाहरण के लिए, 2D में कैंसर कोशिकाएं कुछ रिसेप्टर्स को ओवरप्रेस कर सकती हैं जो ट्यूमर में कम सक्रिय हैं।
  • ]Poor भविष्यवाणियों की दवा प्रभावकारिता: कई यौगिक जो 2D में प्रभावी दिखाई देते हैं, पशु मॉडल या नैदानिक परीक्षणों में विफल होते हैं क्योंकि संस्कृति अंगों या ट्यूमर के जटिल microenvironment को दोहरा नहीं करती है।
  • ]] hypoxia या पोषक तत्व ग्रेडियेंट्स का अध्ययन करने में असमर्थता: एक फ्लैट मोनोलायर में, सभी कोशिकाओं में ऑक्सीजन और पोषक तत्वों तक समान पहुंच होती है, ठोस ऊतकों के विपरीत जहां प्रसार ढाल मौजूद हैं।

3D सेल संस्कृति मॉडल की खोज

तीन आयामी (3 डी) सेल संस्कृति विधियों का उद्देश्य उन्हें एक स्थानिक मैट्रिक्स में बढ़ने की अनुमति देकर कोशिकाओं के प्राकृतिक वातावरण को फिर से बनाना है। इसे मचान आधारित प्रणालियों (जैसे, हाइड्रोजेल, छिद्रपूर्ण मचान, सेलुलरीकृत ECM) या मचान रहित प्रणालियों (जैसे, गोलाकार, ऑर्गनोइड, फांसी-ड्रॉप संस्कृतियों) के माध्यम से हासिल किया जा सकता है। 3 डी मॉडल विवो सेल आकृति विज्ञान, ध्रुवीयता, भेदभाव और संकेतन में अधिक बारीकी से नकल करते हैं।

3D मॉडल के लाभ

  • ] विवो स्थितियों में बीटर माइमीरी: सेल सेल सेल सेल सेल सेल और सेल-मैट्रिक्स बातचीत के साथ 3D में सेल जटिल संरचनाओं का निर्माण करता है जो उनके व्यवहार को प्रभावित करता है। उदाहरण के लिए, 3D spheroids में हेपेटोसाइट्स साइटोक्रोम P450 गतिविधि को बनाए रखते हैं, जिससे उन्हें यकृत विषाक्तता परीक्षण के लिए बेहतर बनाया जा सकता है।
  • ]अधिक सटीक दवा प्रतिक्रियाओं का प्रतिनिधित्व: दवा प्रवेश, प्रतिरोध, और प्रभावकारिता का मूल्यांकन उन स्थितियों के तहत किया जा सकता है जो हाइपोक्सिया और अंतरस्थाई दबाव सहित ट्यूमर माइक्रोएनवायरमेंट को प्रतिबिंबित करते हैं।
  • ]] सेल सेल सेल और सेल-मैट्रिक्स बातचीत का अध्ययन करने के लिए उपयोगी: 3D संस्कृतियों की जांच को सक्षम बनाने के लिए कैसे कैंसर कोशिकाओं आसपास के ऊतकों पर हमला करते हैं या कैसे स्टेम सेल यांत्रिक संकेतों के जवाब में अंतर करते हैं।
  • ]:] मानव-विकास 3D मॉडल, जैसे कि ऑर्गन-ऑन-चिप प्लेटफॉर्म, मानव-विशिष्ट डेटा प्रदान करते समय कुछ जानवरों के अध्ययन को प्रतिस्थापित कर सकते हैं।

3D मॉडल की सीमा

  • ]उच्च जटिलता और लागत: मचान, हाइड्रोगेल, और विशेष संस्कृति प्लेटें अधिक महंगी हैं, और पुन: प्रयोज्य 3D संस्कृतियों की स्थापना के लिए सावधानीपूर्वक आशावाद की आवश्यकता है।
  • ]]Lower throughput: कई 3D सिस्टम आसानी से स्वचालित तरल हैंडलिंग और इमेजिंग के साथ संगत नहीं हैं, जो बड़े पैमाने पर स्क्रीनिंग में उनके उपयोग को सीमित करते हैं।
  • ]विशेषीकृत उपकरण और विशेषज्ञता: जैव-प्रिंटिंग, माइक्रोफ्लिडिक्स और गोलाकार संरचना मांग प्रशिक्षण और समर्पित उपकरणों (जैसे, बायोरेक्टर, confocal माइक्रोस्कोप) जैसी तकनीकें।
  • : इमेजिंग और विश्लेषण में कठिनाई: मोटा 3D संरचनाएं प्रकाश को बिखरती हैं, जिसमें दृश्यता के लिए उन्नत माइक्रोस्कोपी तकनीक (confocal, multiphoton) की आवश्यकता होती है, और एकल सेल विश्लेषण के लिए विघटन सेल राज्यों को बदल सकता है।
  • ]मानकीकरण की कमी: प्रोटोकॉल प्रयोगशालाओं के बीच व्यापक रूप से भिन्न होते हैं, जिससे क्रॉस-स्टडी तुलना चुनौतीपूर्ण होती है। 3D त्वचा मॉडल के लिए OECD टेस्ट दिशानिर्देशों की तरह पहल इस को संबोधित करना शुरू कर दी गई है।

ड्रग परीक्षण के लिए 2 डी और 3 डी संस्कृतियों की तुलना

दोनों मॉडलों में दवा विकास पाइपलाइन में अलग भूमिकाएं हैं। विकल्प विशिष्ट प्रश्नों पर निर्भर करता है और अनुसंधान के चरण पर निर्भर करता है।

उच्च-थ्रूपुट स्क्रीनिंग और विषविज्ञान

बड़े मिश्रित पुस्तकालयों की प्रारंभिक स्क्रीनिंग के लिए, 2 डी संस्कृति उनकी गति और स्केलेबिलिटी के कारण सोने के मानक बने रहती हैं। हालांकि, 3 डी मॉडल का प्रयोग अधिक शारीरिक स्थितियों के तहत हिट को मान्य करने के लिए माध्यमिक स्क्रीनिंग के लिए किया जाता है। विषाक्तता परीक्षण में, OECD दिशानिर्देशों के लिए इन विट्रो त्वचा जंग अब 3D पुनर्निर्माण मानव एपिडर्मिस मॉडल को पशु परीक्षणों के प्रतिस्थापन के रूप में स्वीकार करते हैं।

कैंसर अनुसंधान और रसायन चिकित्सा

3 डी ट्यूमर स्पॉरॉइड्स ने विकास केनेटिक्स और ठोस ट्यूमर के ड्रग प्रतिरोध को बेहतर ढंग से दोहरा दिया है, जिसमें नेक्रोटिक कोर और quiescent जोन का गठन भी शामिल है। अध्ययनों से पता चला है कि कई केमोथेरेपी मॉडलों का आधा-maximal अवरोधक एकाग्रता (IC50) 2D की तुलना में 3D संस्कृतियों में काफी अधिक है, जो कम प्रवेश को दर्शाता है और विवो में देखी गई चयापचय को बदल देता है। उदाहरण के लिए, एक 2020 अध्ययन में वैज्ञानिक रिपोर्ट Demonstrated कि अंडाशय कैंसर सेल spherolatin 3D की तुलना में नैदानिक प्रतिक्रिया]

व्यक्तिगत चिकित्सा और रोगी-निवारित मॉडल

ऑर्गनोइड्स - 3 डी संस्कृतियों रोगी के ऊतकों से ली गई - सटीक ऑन्कोलॉजी में क्रांतिकारी बदलाव लाती है। वे मूल ट्यूमर की आनुवंशिक और phenotypic विशेषताओं को बनाए रखते हैं और इसका उपयोग रोगी द्वारा रोगी के आधार पर दवा संवेदनशीलता का परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है। 2 डी सेल लाइनों के विपरीत, जो अक्सर मार्गों पर बहती है, ऑर्गनोइड कई हफ्तों तक स्थिर दवा प्रतिक्रियाओं को बनाए रखते हैं, जिससे कार्यात्मक परिशुद्धता दवा सक्षम हो जाती है।

जब एक मॉडल का चयन तकनीकी विचार

सेल स्रोत और संस्कृति की स्थिति

समान सेल प्रकार 2 डी बनाम 3 डी में बहुत अलग व्यवहार कर सकता है। उदाहरण के लिए, प्राथमिक हेपेटाइटिस तेजी से 2 डी में जिगर विशिष्ट कार्यों को खो देता है लेकिन इसे 3 डी spheroids में सप्ताह के लिए रखा जा सकता है। शोधकर्ताओं को ऑक्सीजन और पोषक तत्व ग्रेडियेंट पर भी विचार करना चाहिए: 3 डी संस्कृतियों में, प्रसार सेल की व्यवहार्यता को सतह से लगभग 200-300 μm तक सीमित करता है, जिसके लिए बड़े निर्माणों के लिए बायोरेक्टरों के उपयोग की आवश्यकता हो सकती है।

मैट्रिक्स और मचान चयन

आम मचान में मैट्रिगेल TM, कोलेजन प्रकार I हाइड्रोजेल, अल्जीनेट और सिंथेटिक पॉलिमर शामिल हैं। प्रत्येक कोशिका व्यवहार को प्रभावित करने वाले विभिन्न यांत्रिक गुणों (स्थिरता, लोच) प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, मैट्रिक्स कठोरता को कैंसर कोशिकाओं में epithelial-to-mesenchymal संक्रमण को चलाने के लिए दिखाया गया है , मेटास्टेसिस में एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया जिसे 2D प्लास्टिक में अध्ययन नहीं किया जा सकता है।

परख पढ़ना

मानक समापन बिंदु assays (MTT, ATP bioluminescence) सावधान आशावाद के बाद 3D संस्कृतियों के लिए काम करते हैं, लेकिन लाइव सेल इमेजिंग अधिक चुनौतीपूर्ण है। शोधकर्ताओं को वास्तविक समय अवलोकन के लिए confocal माइक्रोस्कोपी या प्रकाश शीट माइक्रोस्कोपी में निवेश करने की आवश्यकता हो सकती है। इसके अतिरिक्त, 3D संरचनाओं से mRNA और प्रोटीन निष्कर्षण अक्षम हो सकता है; 3D संस्कृतियों के लिए डिज़ाइन किए गए वाणिज्यिक किट अब उपलब्ध हैं।

भविष्य निर्देश: 2D और 3D ब्रिजिंग

माइक्रोफ्लाइडिक्स और ऑर्गन-ऑन-ए-चिप प्रौद्योगिकी में प्रगति 2D और 3D के बीच की रेखाओं को धुंधला कर रही है। ये प्लेटफॉर्म अक्सर 3D जेल क्षेत्रों के साथ 2D मोनोलायर्स को जोड़ते हैं ताकि बहु-संगतन मॉडल बना सकें जो ऑर्गन-ऑर्गन इंटरैक्शन को अनुकरण करते हैं। इसके अलावा, कृत्रिम बुद्धि को 2D उच्च-content इमेजिंग डेटा का विश्लेषण करने के लिए लागू किया जा रहा है ताकि परिणाम की भविष्यवाणी की जा सके, जिसके लिए अन्यथा 3D संस्कृतियों की आवश्यकता होगी, जिससे संभावित रूप से शारीरिक प्रासंगिकता को बनाए रखने के दौरान लागत कम हो जाएगी।

एक और उभरते रुझान 3D बायोप्रिंटिंग का उपयोग है जो वादी, संवहनी ऊतक निर्माणों को तैयार करने के लिए है जो दवाओं के साथ ख़त्म हो सकते हैं। ये सिस्टम 3D ऊतकों की वास्तुशिल्प जटिलता के साथ 2D चढ़ाना की पुनर्विकास को जोड़ती है, और उन्हें ]] के लिए अपनाया जा रहा है।

निष्कर्ष

कोई एकल सेल संस्कृति मॉडल दवा परीक्षण के लिए सार्वभौमिक रूप से बेहतर नहीं है। 2 डी संस्कृति प्रारंभिक चरण स्क्रीनिंग, बुनियादी यांत्रिक अध्ययन और अनुप्रयोगों के लिए अनिवार्य रहती हैं जो उच्च थ्रूपुट की मांग करते हैं। 3 डी संस्कृति ऊतक जैसी वास्तुकला, दीर्घकालिक रखरखाव और नैदानिक रूप से प्रासंगिक दवा प्रतिक्रियाओं की आवश्यकता वाले अध्ययन के लिए अनिवार्य लाभ प्रदान करती हैं। सबसे मजबूत प्रीक्लिकल रणनीति अक्सर दोनों तरीकों को रोजगार देती है: प्रारंभिक यौगिक ट्राइज़ और 3 डी के लिए सत्यापन और गहरी मैकेनिस्टिक अंतर्दृष्टि के लिए 2 डी का उपयोग करना। प्रत्येक दृष्टिकोण की ताकत और कमजोरियों को समझने के द्वारा, शोधकर्ता प्रयोगों को डिजाइन कर सकते हैं जो लागत और जटिलता के प्रबंधन के दौरान पूर्वानुमान सटीकता को अधिकतम करते हैं।