У біомедичних дослідженнях вибір моделей культури 2D і 3D може різко впливати на результат тестування та розвитку препарату. У той час як традиційні культури 2D пропонують простоту і швидкість, 3D системи забезпечують більш фізіологічно відповідне середовище, яке краще прогнозує, як ліки будуть поводитися в живих організмах. Ця стаття порівнює обидва підходи, вивчає їх сильні сторони, обмеження і відповідні програми, щоб допомогти дослідникам вибрати оптимальну модель для їх преклінічних досліджень.

Розуміння моделей клітин 2D

Двовимірна (2D) клітинна культура є звичайним методом вирощування клітин на плоских, жорстких поверхнях, таких як пластикові Petri страви, багатоеллоупа, або скляні гірки. Клітини дотримуються поверхні і викладають, утворюють моношаровий. Ця методика була бронею клітинної біології протягом століття через його простоту, низьку вартість і сумісність з високопроривними скринінговими платформами. Загальні субстрати включають культуру тканин, що потрясне полістирол і скло, покриті екстраклітинними матрицею (ECM) білками, такими як колаген або фібронецин.

Переваги 2D моделі

  • Змінна кількість протоколів та доступних реагентів, що дозволяють встановити та переробити на лабораторіях.
  • Оренда та швидка установка: No спеціалізоване обладнання для скидів або біореакторів, що використовуються, знижуючи як капітал, так і операційні витрати.
  • Підходить для високопродуктивного скринінгу: 2D культури можуть бути масивовані в 96‐, 384-і або 1536-охолоджувальні пластини, що дозволяють автоматизоване робоче навантаження та швидке тестування тисяч сполук.
  • Диже мікроскопічне спостереження: Клітини в одній площині легко зафіксувати і аналізувати для морфології, проліферації та експресії білка.

Обмеження 2D моделі

  • Завантаження тканинно-подібної архітектури: Клітини ростуть неприродно плоскими, втрачають тривимірну структуру та контактні дані клітинок, характерні для тканин in vivo.
  • Поведінка клітин: Ген експресія, обмін речовин і чутливість препарату часто відрізняються від тих, які в організмі. Наприклад, ракові клітини в 2D можуть перевизначити певні рецептори, які менш активні в кишечнику.
  • Поор прогнозування ефективності препарату: Багато сполук, які з'являються ефективні в 2D не в моделі тварин або клінічних випробуваннях, оскільки культура не реплікує комплексне мікросередочення органів або пухлин.
  • Взаємодія до вивчення гіпоксії або градієнтів поживних речовин: У плоскому моношаровому, всі клітини мають однаковий доступ до кисню та поживних речовин, на відміну від твердих тканин, де існують градієнти дифузії.

Розширювальні моделі культури 3D

Методи клітинної культури три‐вимірної (3D) спрямовані на відтворення природного середовища клітин, що дозволяє їм рости в просторій матриці. Це може бути досягнуто через системи скафольго-на основі (наприклад, гідрогелі, пористі скафольги, деклінізовані ECM) або скафольо-безкоштовні системи (наприклад, порослі, органоїди, висить ‐drop культури). 3D моделі більш тісно мимні в морфології клітин, полярності, диференції та сигналізації.

Переваги 3D-моделі

  • Поттер імітація в умовах вево: Клітини в 3D-формних комплексних структурах з клітино-клітинними взаємодією, які впливають на їх поведінку. Наприклад, гепатоцити в 3D-спреоцитах зберігають активність цитохрому P450, що робить їх чудовими для тестування токсичності печінки.
  • Моє точний уявлення про відповідь препарату: Профілактика, стійкість та ефективність можна оцінити в умовах, що дзеркалять мікросередовища пухлини, включаючи гіпоксію та міжстим тиском.
  • Використовувати для вивчення клітинно-клітинних взаємодій: 3D-культури дозволяють розслідування, як ракові клітини загартовані навколишні тканини або як стовбурові клітини диференціюють у відповідь на механічні кулі.
  • Огляд за релікцією тварин: Люд-дерід 3D моделі, такі як орган‐on‐a‐chip платформ, може замінити деякі дослідження тварин при наданні індивідуальних даних.

Обмеження 3D-моделі

  • Висока складність і вартість: Скрафолди, гідрогелі, і спеціалізовані культури плити є більш дорогими, а створення рефродувованих 3D культур вимагає ретельної оптимізації.
  • Запуск пуску: Багато 3D-системи не сумісні з автоматизованим рідким керуванням та зображенням, що обмежує їх використання в масштабному екрані.
  • Спеціальне обладнання та експертиза: Методики, такі як біопринтування, мікрофлюїди, сфероїдне формування попиту та спеціальні інструменти (наприклад, біореактори, конфокальні мікроскопи).
  • Діфічність у візуалізації та аналізі: Thicker 3D структури розсіювача світла, що вимагають передових мікроскопічних методів (конфокально, мультифотон) для візуалізації, а також диссоціації для одноклітинного аналізу може змінити стан клітин.
  • Застосування: Протоколи варіюються в залежності від лабораторій, що робить крос-студи порівняти складними. Ініціативи, як OECD Test Manual for 3D моделі шкіри, починають вирішувати це.

Порівняти 2D і 3D культури для тестування на наркотику

Як і моделі мають відмінні ролі в трубопроводі з розробки ліків. Вибір залежить від конкретних питань, які запитують і стадії дослідження.

Висока толерантність до скринінгу та токсикології

Для початкового скринінгу великих бібліотек сполук, культури 2D залишаються золотом стандартом завдяки швидкості та масштабності. Однак моделі 3D все частіше використовуються для вторинного скринінгу для перевірки результатів за більш фізіологічними умовами. При токсичності тестуванні ОЕСД рекомендації для вітро-скінокоророзії тепер приймають 3D реконструйовані моделі епідермісу людини як заміни для тваринних випробувань.

Дослідження раку та хіміотерапія

3D tumour spheroids краще реплікувати кінетику росту і наркозистість твердих пухлин, включаючи утворення некротичних ядер і кальмарів. Дослідження показали, що концентрація половиномомігматичних інгібіторів (IC50) багатьох хіміотерапевтичних досліджень значно вище в 3D культури, ніж в 2D, що відображає зниження проникнення і зміни метаболізму, що бачив в vivo. Наприклад, дослідження в Наукові звіти] , що показали, що OVarian ракові клітини, що мають менш чутливі до клітинних моделей [F3part:2D]

Індивідуальні лікарські засоби та моделі Пацієнтів

Органоїди – 3D культури, отримані з тканин пацієнта – є революціями прецизійної онкології. Вони зберігають генетичні та фенотипічні характеристики оригінальної кишки і можуть застосовуватися для тестування чутливостей препарату на пацієнто-біотермічної основі. На відміну від клітинних ліній 2D, які часто дратують проходи, органоїди підтримують стабільні відповіді на лікарські засоби протягом декількох тижнів, що дозволяє функціонально-точній медицині.

Технічні характеристики При виборі моделі

Умови використання клітинного джерела та культури

Те ж тип клітин може бути дуже різним у 2D versus 3D. Наприклад, первинні гепатоцити швидко втрачають функції печінки-специфічної в 2D, але можуть підтримуватися протягом тижнів в 3D-патероїди. Дослідники повинні також розглянути кисневі та поживні градієнти: в 3D-культурах, діфузійних лімітів клітинної життєздатності приблизно 200‐300 мкм від поверхні, що може знадобитися використання біореакторів для збільшення конструкцій.

Вибір мітки та ножиць

У даній статті єпаролізатори, які впливають на поведінку клітинок. Наприклад, , що стифудність матриці була показана до приводу епітеліал‐томезенхімічного переходу в ракових клітин, критичний процес метастази, який не можна вивчити в 2D-пластикі.

Промо-розшуки

Стандартний ендоточний аналіз (МТТ, біолюмінесцентний аналіз ATP) працює для 3D-культур після ретельної оптимізації, але візуалізація живого люка є більш складним. Дослідники можуть знадобитися вкладати в конфокальну мікроскопію або мікроскопію світло-листів для реального часу спостереження. Крім того, мРНК та білок від 3D-конструкторів можуть бути неефективними; комерційні комплекти, призначені для 3D-культури.

Напрями майбутнього: Брудінг 2D і 3D

Сучасні досягнення в мікрофлюїді та органо-на-чипній технології розмивають лінії між 2D та 3D. Ці платформи часто поєднують 2D моношарові з 3D гелевими регіонами для створення багатокомпонентних моделей, які імітують взаємодії органо-органів. Крім того, штучний інтелект наноситься на аналіз даних 2D високотемпературних зображень для прогнозування результатів, які інакше вимагають 3D-культур, потенційно знижує витрати при збереженні фізіологічної актуальності.

Ще одним з найбільш поширених трендів є використання біопринтів 3D для виготовлення рефродувованих, судинних структур, які можуть бути використані з лікарськими засобами. Ці системи об'єднують відтворюваність 2D, що обертаються архітектурною складністю 3D тканин, і вони приймають для

Висновок

Не єдина модель культури клітин є універсальною перевагою для тестування препарату. 2D культури залишаються незамінними для ранньої естгеографії, базових механіко-методичних досліджень, і додатків, які вимагають високого пропускного стану. 3D культури пропонують незамінні переваги для досліджень, які вимагають тканинно-подібної архітектури, довгострокового обслуговування і клінічно актуальні відповіді на лікарські засоби. Найнадійнішими химерними стратегіями часто використовують обидва методи: використовуючи 2D для початкової сполуки тридж і 3D для перевірки і більш глибокого механічного розуміння. З розумінням міцностей і слабкостей кожного підходу дослідники можуть розробляти експерименти, які максимізують передбачувану точність при управлінні витратами і складністю.