在生物医学研究中,2D和3D细胞培养模型的选择可以极大地影响药物测试和发育的结果。 虽然传统的2D培养方式提供了简单和速度,但3D系统提供了更符合生理条件的环境,可以更好地预测药物在生物体内的表现。 文章比较了两种方法,考察了它们的优点,局限性和适当的应用,以帮助研究人员选择临床前研究的最佳模型.

理解2D细胞文化模式

二维(2D)细胞培养是平面,硬质表面,如塑料Petri盘子,多井板,或玻璃滑动等生长细胞的常规方法. 细胞坚持表面,并展开,形成单层细胞。由于技术简单,成本低,与高通量筛选平台兼容,这一技术在细胞生物学中占据了超过一个世纪的支柱. 常见的底物包括组织培养-经处理的聚苯乙烯和与细胞外基质(ECM)蛋白(如碳酸或丝氨酸)涂装的玻璃.

2D 型号的优点

  • 使用方便和高可复制性:[ 标准化协议和商用试剂使2D培养物可以直接建立和复制到实验室。
  • 降低成本和更快的设置: 脚手架或生物反应器不需要专门设备,既减少了资本支出,也减少了运营支出.
  • 适合高通量筛选:[] 2D培养基可以以96 ⁇ ,384 ⁇ ,或1536 ⁇ well板排列,允许自动机器人处理和快速测试数千种化合物.
  • 直线显微观测:[ 单平面中的细胞易于成像和分析形态,扩散,蛋白质表达.

2D型号的限制

  • 组织式结构的链片:[细胞生长不自然的平坦,失去三维结构和细胞接触,这是典型的血小组织.
  • 细胞行为的改变:[ 基因表达,代谢,药物敏感性往往与体内的区别不同. 例如,2D中的癌细胞可能过度表达某些在肿瘤中活性较低的受体.
  • 药物功效的贫乏预测: 许多在2D中看起来有效的化合物在动物模型或临床试验中失败,因为培养不会复制器官或肿瘤的复杂微观环境.
  • 无法研究缺氧或营养梯度:[在一个平坦的单层中,所有细胞都有同等的获得氧气和营养的渠道,这与存在扩散梯度的固体组织不同.

探索三维细胞文化模型

三维(3D)细胞培养方法旨在通过允许细胞在空间基质中生长来重新创造细胞的自然环境,这可以通过脚手架系统(如水解胶,多孔脚手架,脱细胞的ECM)或无脚手架系统(如麻黄素,有机体,悬挂)实现. 3D模型在活细胞形态,极性,分化和信号化中更紧密地模仿.

三维模型的优点

  • 更好的模拟在活体条件下:[ 3D细胞形成复杂结构,细胞和细胞的细胞相互作用影响它们的行为。例如,3D类血球体中的肝细胞保留了细胞色素P450活性,使其在肝毒性测试上处于优势地位.
  • 更准确的表示药物反应: 药物的渗透,抗药性,疗效可以在与肿瘤微观环境相对应的条件下进行评估,包括缺氧和间歇压力.
  • 用于研究细胞和细胞的细胞相互作用:[] 3D培养能对癌细胞如何侵入周围组织或干细胞如何因应机械提示而区别进行调查。
  • 减少对动物测试的依赖: 人体衍生的3D模型,如器官-ON-a-芯片平台,可以取代一些动物研究,同时提供人类特有的数据.

三维模型的限制

  • 更高的复杂性和成本:[ 脚手架,水解胶,以及专用的培养板更昂贵,建立可复制的3D培养基需要小心优化.
  • 低通量:[ 许多3D系统不易与自动液体处理和成像兼容,限制了它们在大规模筛选中的使用.
  • 专用设备和专长: 生物印记、微流体和类固醇形成等技术需要培训和专用仪器(如生物反应器、凝聚显微镜)。
  • 成像和分析中的困难:[ Thicker 3D结构散射光,需要先进的显微镜技术(concal,多光子)进行可视化,单细胞分析的分离可以改变细胞状态.
  • 标准化的缺陷: 实验室之间的协议差异很大,因此交叉研究比较具有挑战性。 经合组织三维皮肤模型测试指南等举措开始解决这个问题。

比较2D和3D药物检测文化

这两种模式在药物开发过程中都具有不同的作用,选择取决于所问的具体问题和研究阶段。

高血压筛选和毒理学

对于大型复合库的初步筛选,2D培养基因其速度和可扩展性而仍然是金本位. 然而,3D模型越来越多地用于次级筛选,以验证在更生理条件下的命中量。在毒性测试中,经合组织的试管皮肤腐蚀准则[ 现在接受3D重建的人类顶部模型作为动物测试的替代物。

癌症研究和化学疗法

3D肿瘤类固醇更好地复制固体肿瘤的生长动力学和药物耐药性,包括形成坏死核和精液区. 研究表明,许多化疗药物的半抑制浓度(IC50)在3D培养物中明显高于2D,反映了在活体中观察到的渗透率下降和代谢变化. 例如,2020年的一项研究[ 科学报告 表明卵巢癌细胞类固醇对丙二醇的敏感度低于2D对应物,强调了使用3D模型预测临床反应的重要性.

个人化的医学和病人 已使用模型

有机体 — — 由患者组织衍生的3D培养物 — — 正在革命性地改变精密肿瘤。 它们保留了原肿瘤的遗传和肝脏特征,并可用于在患者旁观察药物敏感性。 与通常在通道上漂移的2D细胞线不同,有机体在几周内保持稳定的药物反应,从而能够提供实用精密医学。

选择模型时的技术考虑

单元格来源和文化条件

同样的细胞类型在2D和3D中的表现会非常不同。 例如,初级肝细胞在2D中迅速失去肝脏特定功能,但在3D类血球中可以维持数周。 研究人员还必须考虑氧气和营养梯度:在3D培养物中,扩散将细胞的存活力限制在从表面约200 ⁇ 300μm,这可能需要使用生物反应器来进行更大的构造。

矩阵和脚手架选择

常见的脚手架包括MatrigelTM、Collagen I型水解胶、 algnation和合成聚合物。 每种都提供了不同的影响细胞行为的机械特性(硬度、弹性 ) 。 例如, 血压僵硬性已被证明可以驱动癌细胞的上位细胞(Engthal to mesenchymal)过渡[,这是元化过程中的关键过程,不能在2D塑料中研究。

说读出

标准端点测定(MTT, ATP 生物发光)在经过仔细优化后对3D培养物有效, 但活细胞成像更具挑战性。 研究人员可能需要投资集合显微镜或光光光板显微镜, 用于实时观测。 此外, 从3D构造中提取mRNA和蛋白质可能效率低下; 现在已有为3D培养物设计的商用工具包。

未来方向:2D和3D的连接

微流体和有机物技术的进步正在模糊2D和3D之间的界限。这些平台往往将2D单层和3D凝胶区域结合起来,以创建模拟有机物相互作用的多分解模型。此外,还运用人工智能分析2D高含量成像数据,预测本来需要3D培养的结果,在保持生理相关性的同时,可能降低成本。

另一个新出现的趋势是使用3D生物印记来编织可被药物渗透的可复制的血管化组织构造,这些系统将2D电镀的可复制性与3D组织建筑复杂性结合起来,正被FDA等机构采用规范资格.

结论

药物测试没有单一细胞培养模型普遍优越。 2D培养基对于早期筛选、基础机械研究和需要高吞吐量的应用来说是不可或缺的。 3D培养基对于需要组织结构、长期维护和临床相关药物反应的研究来说是不可或缺的优势。 最强的临床前策略往往使用两种方法:使用2D进行初始复合分解,以及3D进行验证和更深的机械洞察。 通过理解每种方法的优点和弱点,研究人员可以设计出在管理成本和复杂性的同时最大限度地提高预测准确性的实验。