バイオメディカル研究では、2Dと3D細胞培養モデルの選択肢は、薬物検査と開発の結果に劇的に影響を及ぼす可能性があります。 伝統的な2D文化は単純性と速度を提供し、3Dシステムでは、薬物が生きた生物でどのように作用するかを予測するより生理学的に関連する環境を提供します。 この記事では、両方のアプローチを比較し、自分の強み、制限、および適切なアプリケーションを調べ、研究者が彼らの前例研究に最適なモデルを選択するのに役立ちます。

2D細胞培養モデルの理解

2次元(2D)細胞培養は、プラスチックペトリ皿、多重板、ガラススライドなどのフラットで硬直面する細胞の増殖の従来の方法です。細胞は表面に付着し、単層を形成し、広がります。この技術は、その単純性、低コスト、および高スループットスクリーニングプラットフォームとの互換性のために1年以上にわたり細胞生物学の骨格となっています。一般的な基質には、組織培養 - 硬化多層およびガラスが細胞マトリックスまたはタンパク質(ECBron)などのエキストラセルビロジーの基幹部があります。

2Dモデルの利点

  • [] 利用と高い再現性が高まる:[] 標準化されたプロトコルと市販の試薬は、2D文化を直接作成して、研究所全体でセットアップおよび複製します。
  • ] コストが低く、セットアップが高速に:[ は、足場やバイオリアクターのための専門機器を必要としません。
  • [] 高度スループットスクリーニングの安定性:[[]] 2D文化は96〜、384〜、または1536〜ウェルプレートで配列することができ、自動化されたロボットの取り扱いと数千の化合物の迅速なテストを可能にします。
  • 直立顕微鏡観察:] 単平面の細胞は、形態、増殖、タンパク質表現の画像や解析が容易です。

2Dモデルの制限

  • 組織のようなアーキテクチャの欠如:[ 細胞は不自然に平らに成長し、三次元構造と細胞の接触を生体組織の典型的な失います。
  • [ 細胞の動作を調節しました:[] 遺伝子発現、代謝、薬物感度は体内のものとは異なることが多いです。例えば、2Dのがん細胞は、腫瘍内で活性が少ない特定の受容体を過剰に発現する可能性があります。
  • []薬物効能の悪い予測:[]] 2Dで有効に表示される多くの化合物は、文化が臓器や腫瘍の複雑な微分を複製しないので、動物モデルや臨床試験で失敗します。
  • []低酸素または栄養素の勾配を調べることができない:[]フラットモノラルレイヤーでは、すべての細胞は、拡散勾配が存在する固体組織とは異なり、酸素と栄養素に等しいアクセスを持っています。

3D細胞培養モデルの探索

三次元(三次元)細胞培養法は、空間マトリックスで成長できるようにすることで、細胞の自然環境を再構築することを目指しています。これは、スキャフォールド系(例えば、ハイドロゲル、多孔性足場、非細胞化ECM)またはスキャフォールドフリーシステム(例えば、スプヒーロー、有機体、ハンギングドロップカルチャー)によって達成することができます。3Dモデルは、より密接に生体細胞形態、偏光、分光、信号、および分光、信号、および信号を模倣します。

3Dモデルの利点

  • [] ウイルス条件の文字ミクロメリー: 3Dのセルは、細胞細胞と細胞-マトリックス相互作用と複雑な構造を形成し、その動作に影響を与える。 例えば、3Dスフェロイドの肝細胞は、細胞-クロメードP450活性を保持し、肝臓毒性試験のためにそれらが優れています。
  • 薬効のより正確な表現:[薬物浸透、抵抗、および効力は、低酸素および間接圧力を含む腫瘍微分をミラーリングする条件下で評価することができます。
  • [細胞細胞と細胞のマトリックス相互作用を研究するのに有用:[[]3D文化は、組織の周囲のがん細胞が侵入するか、またはどのように幹細胞が機械的キューに対して異なるかの調査を可能にします。
  • :動物実験に対する再生成の信頼性:[: 臓器-on-a-chipプラットフォームなどのヒト由来の3Dモデル、ヒト固有のデータを提供しながら、いくつかの動物実験を置き換えることができます。

3Dモデルの制限

  • より複雑でコスト:[足場、ハイドロゲル、および専門文化プレートはより高価で、再現可能な3D文化を確立するには、慎重に最適化する必要があります。
  • ]より低いスループット:]]] 多くの3Dシステムは、自動液体処理とイメージングと簡単に互換性がないので、大規模なスクリーニングでの使用を制限します。
  • 専門機器と専門知識:[] バイオプリント、マイクロ流体、および球状形成の要求訓練および専用機器(例えば、バイオリアクター、コンフォーカル顕微鏡)などの技術。
  • []画像と解析の難易度:[] より厚い3D構造スキャッターライト、視覚化のための高度な顕微鏡技術(コンコル、マルチフォトン)を必要とする、および単一セル分析のための分裂は、細胞状態を変更することができます。
  • 標準化の欠如:[]]プロトコルは、交差学習比較に挑戦する、研究室間で広く異なります。 3DスキンモデルのOECDテストガイドラインのような取り組みは、これに対処するために始まります。

医薬品検査の2Dと3Dの文化を比較

どちらのモデルも、医薬品開発パイプラインにおいて異なる役割を持っています。選択は、要求される特定の質問と研究の段階によって異なります。

高強度スクリーンと毒性学

大規模な化合物ライブラリの初期スクリーニングでは、2D 文化は、速度とスケーラビリティによる金基準を維持します。しかし、3D モデルは、より生理学的条件下でヒットを検証するために、二次スクリーニングのためにますます使用されています。毒性試験では、生体内皮腐食のOECD ガイドラインは、動物実験の代替として 3D 再構築されたヒトの表皮モデルを受け入れます。

がん研究と化学療法

3D の腫瘍性スプヒーローズは、神経系コアおよびキセント ゾーンの形成を含む固体腫瘍の成長のキネシスおよび薬物抵抗をよりよく再現する。 研究は、多くの化学療法の半-最大阻害濃度(IC50)が2Dよりも3D培養において著しく上昇していることを示し、減少した浸透と、生体内で見られる代謝を変化させました。 例えば、2020年の研究[FLT] を予測しました[FLT] がんに対する反応は、その2Dモデルよりもはるかに高い[FLT] [F] [F] を予測しました。 [F]

パーソナライズされた医薬品と患者に由来するモデル

オルガノイド - 患者組織から派生する3D文化 - 革命的な精度腫瘍学です。 彼らは遺伝子と表現力学的特性を保持し、患者による患者による患者様による患者様に対する薬物の感受性をテストするために使用することができます。 通路を上回る2D細胞線とは異なり、オルガノイドは数週間にわたり安定した薬物応答を維持し、機能的精密薬を有効にします。

モデルを選ぶ際の技術的な検討

細胞の出典と文化条件

同じセルタイプは、2D 対 3D で非常に異なる動作することができます。例えば、主ヘパトサイトは 2D で肝固有の機能が急速に失いますが、3D スプヒーローズで数週間維持することができます。研究者は、酸素と栄養素の勾配を考慮する必要があります。 3D 文化では、拡散は、表面から約 200〜300 μm の細胞生存率を制限し、より大きなコンストラクトのためにバイオリアクタの使用を必要とする場合があります。

マトリックスと足場の選択

一般的な足場には、MatrigelTM、コラーゲンタイプIのハイドロゲル、アルギン酸塩、合成ポリマーが含まれます。それぞれ、細胞の動作に影響を与える異なる機械的特性(剛性、弾性)を提供します。例えば、[]matrixの剛さは、腫瘍細胞のエピテリアルに---mesenchymal移行を駆動するために示されています]]、2Dプラスチックで研究できない転移における重要なプロセス。

試金 読書

標準的なエンドポイントアッセイ(MTT、ATPバイオラミネシステンス)は、最適化後に注意して3D文化のために働きますが、ライブセルイメージングはより困難です。研究者は、リアルタイム観察のために、コンフォーカルマイクロコピーまたはライトシートマイクロコピーに投資する必要があるかもしれません。さらに、3D構造物からのmRNAおよびタンパク質抽出物は非効率的であり、現在は3D文化用に設計された商用キットが利用可能です。

未来の方向:2Dと3Dをブリッジする

マイクロフリッチドとオルガン・オン・ア・チップ技術における高度化は、2Dと3Dの線を膨らませています。これらのプラットフォームは、しばしば2D単層と3Dゲル領域を組み合わせて、臓器の相互作用をシミュレートするマルチ・コンパートメントモデルを作成します。さらに、人工知能は2Dの高含有イメージングデータを分析し、3D培養を必要とする結果を予測するために、生理的関連性を維持しながら、潜在的にコストを下げる可能性があります。

もう一つの新興トレンドは、再現性、血管拡張組織の製作に3Dバイオプリンティングの使用です。薬物と浸透する可能性がある構造。これらのシステムは、2Dメッキの再現性を3D組織の建築的複雑性と組み合わせ、FDA[などの機関による規制認定資格を採択しています。

コンテンツ

単一細胞培養モデルは、薬物検査のために普遍的に優れています。 2D培養は、初期段階スクリーニング、基本的な機械的研究、および高スループットを要求するアプリケーションのために不可欠です。 3D培養は、組織のようなアーキテクチャ、長期メンテナンス、および臨床的に関連性の高い薬物反応を必要とする研究に不可欠な利点を提供します。 最も堅牢な非公式戦略は、しばしば両方の方法を採用しています。 2D 初期化合物のトリエージと 3D 検証とより深い機械的洞察のための。 研究者の能力と実験の理解によって、各レベルの精度が予測される可能性があります。