細(xì)胞類器官培養(yǎng)簡(jiǎn)史:Kirkstall Quasi Vivo Organs-on-a-Chip
北 京 基 爾 比 生物科技公司主營(yíng)產(chǎn)品:
Kilby 全自動(dòng)3D細(xì)胞類器官培養(yǎng)儀,
Kilby Gravity 微重力三維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng),
Kilby Bio類器官芯片搖擺灌注儀,動(dòng)態(tài)3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)
Kirkstall Quasi Vivo®類器官3D仿生動(dòng)態(tài)共培養(yǎng)系統(tǒng)
一、關(guān)鍵詞
細(xì)胞培養(yǎng)、二維細(xì)胞培養(yǎng)、三維細(xì)胞培養(yǎng)、類器官、球體、器官芯片
二、摘要
概述了細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域的歷史里程碑,從19世紀(jì)80年代Wilhelm Roux的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn),到Ross Granville Harrison在20世紀(jì)初的奠基工作,再到Alexis Carrel的永生化細(xì)胞研究。
后續(xù)Johannes Holtfreter、Aron Moscona、Joseph Leighton等推動(dòng)了三維細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)展,2006年Takahashi和Yamanaka誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs)的發(fā)現(xiàn)具有革命性意義。近年來(lái),球體、類器官和器官芯片技術(shù)成為研究熱點(diǎn),文章還探討了從二維到三維細(xì)胞培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變及未來(lái)方向。
三、細(xì)胞培養(yǎng)歷史概述
1. 早期起源(19世紀(jì)末-20世紀(jì)初)
- Robert Koch(19世紀(jì)80年代):改進(jìn)微生物培養(yǎng)技術(shù),使用明膠固化培養(yǎng)基,提出“科赫法則”,強(qiáng)調(diào)滅菌的重要性,與Richard Petri合作改進(jìn)培養(yǎng)皿(Petri dish)。
- Wilhelm Roux(19世紀(jì)80年代):通過(guò)雞胚細(xì)胞實(shí)驗(yàn),證明細(xì)胞可在鹽溶液中在體外存活。
- Leo Loeb:在華盛頓大學(xué)開(kāi)展細(xì)胞培養(yǎng)、移植和激素研究,為實(shí)驗(yàn)病理學(xué)奠定基礎(chǔ)。
- Ross Granville Harrison(1906年):在試管中培養(yǎng)蛙神經(jīng)纖維組織,使用、鹽溶液和瓊脂作為培養(yǎng)基,開(kāi)發(fā)“懸滴技術(shù)”,通過(guò)無(wú)菌操作(如滅菌手術(shù)器械)將細(xì)胞培養(yǎng)延長(zhǎng)至5周,其著作《Observations on the Development of Living Nerve Fibers》具有重要意義。
2. 技術(shù)發(fā)展與突破(20世紀(jì)初-中期)
- Alexis Carrel:1912年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主,改進(jìn)懸滴培養(yǎng)法,設(shè)計(jì)“卡雷爾培養(yǎng)瓶”,詳細(xì)描述三維細(xì)胞培養(yǎng)(利用絲綢線培養(yǎng)組織碎片),與Charles Lindbergh合作,后者開(kāi)發(fā)血清分離方法并引入耐高壓的“Pyrex玻璃”器皿,成功培養(yǎng)出永生化雞胚心肌細(xì)胞系。
- HeLa細(xì)胞系(1951年):源于Henrietta Lacks的宮頸腺癌組織,由George Gay實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)成功,具有強(qiáng)增殖能力,至今仍廣泛應(yīng)用于研究。
- 三維培養(yǎng)技術(shù)先驅(qū):
- Johannes Holtfreter:開(kāi)發(fā)球形細(xì)胞聚集體培養(yǎng)方法,通過(guò)攪拌培養(yǎng)瓶促進(jìn)細(xì)胞接觸和營(yíng)養(yǎng)擴(kuò)散。
- Aron Arthur Moscona:利用錐形瓶持續(xù)攪拌培養(yǎng)細(xì)胞,防止細(xì)胞貼壁,促進(jìn)三維細(xì)胞聚集體形成,開(kāi)展細(xì)胞嵌合體研究。
- Joseph Leighton(20世紀(jì)50年代):使用纖維素海綿三維基質(zhì)培養(yǎng)細(xì)胞,證明三維培養(yǎng)更能模擬體內(nèi)細(xì)胞行為。
3. 干細(xì)胞研究與突破(20世紀(jì)60年代-21世紀(jì)初)
- 骨髓干細(xì)胞研究:Ernst McCulloch和James Till(20世紀(jì)60年代初)通過(guò)骨髓細(xì)胞移植實(shí)驗(yàn),提出“脾集落”概念,為骨髓干細(xì)胞定義奠定基礎(chǔ)。
- 間充質(zhì)干細(xì)胞研究:Alexander Friedenstein(20世紀(jì)60年代起)從骨髓中分離出“成纖維細(xì)胞集落形成細(xì)胞(FCFCs)”,即間充質(zhì)干細(xì)胞的前身,證明其多向分化潛能。
- 胚胎干細(xì)胞:1981年,Martin Evans和Matthew Kaufman建立小鼠囊胚細(xì)胞系,Gail R. Martin使用“胚胎干細(xì)胞”術(shù)語(yǔ)。
- 人類胚胎干細(xì)胞:1998年,James Thomson團(tuán)隊(duì)從人類囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)培養(yǎng)出人類胚胎干細(xì)胞。
- 誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs):2006年,Kazutoshi Takahashi和Shinya Yamanaka通過(guò)Oct3/4、Sox2、Klf4、c-Myc四因子將成纖維細(xì)胞重編程為iPSCs;2007年,James Thomson團(tuán)隊(duì)使用Oct4、Sox2、NANOG、Lin28四因子獲得人類iPSCs。
四、二維與三維細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)
1. 二維(2D)細(xì)胞培養(yǎng)
- 原理:細(xì)胞在平面貼壁表面(如培養(yǎng)皿、培養(yǎng)瓶)生長(zhǎng),通過(guò)特定涂層(如多聚賴氨酸、Matrigel、纖連蛋白)促進(jìn)非貼壁細(xì)胞黏附。
-應(yīng)用:用于研究細(xì)胞分化、遷移、生長(zhǎng)等生理機(jī)制,廣泛應(yīng)用于癌癥研究、毒性測(cè)試(如藥物候選物評(píng)估),符合“3Rs”原則(減少、優(yōu)化、替代動(dòng)物實(shí)驗(yàn))。
- 局限性:缺乏細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的接觸,難以模擬體內(nèi)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生理特性,部分細(xì)胞系(如肝細(xì)胞)難以在二維環(huán)境中穩(wěn)定培養(yǎng)。
2. 三維(3D)細(xì)胞培養(yǎng)
- 球體(Spheroids):由細(xì)胞自組織形成的球形聚集體,無(wú)需預(yù)定義基質(zhì),可通過(guò)懸滴法、磁懸浮等方法制備,存在營(yíng)養(yǎng)、氧氣等梯度,核心易形成壞死區(qū),適用于癌癥模型研究。
- 類器官(Organoids):比球體更復(fù)雜,由干細(xì)胞或分化細(xì)胞形成,具有自組織、多細(xì)胞性和功能性,可模擬器官發(fā)生和功能,應(yīng)用于遺傳疾病、腫瘤、藥物研發(fā)等領(lǐng)域(如腦類器官研究小頭畸形,肝類器官研究囊性纖維化)。
- 發(fā)展里程碑:1970年Robert Sutherland開(kāi)發(fā)多細(xì)胞球體;1972年Tom Elsdale和Jonathan Bard使用膠原蛋白凝膠作為三維支架;1977年Matrigel被引入作為細(xì)胞外基質(zhì)提取物。
- 局限性:缺乏功能性血管化,導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)分布不均和壞死;結(jié)構(gòu)組織與體內(nèi)器官存在差異;操作復(fù)雜、成本高。
五、器官芯片(Organ-on-a-Chip)
- 原理:基于微流控系統(tǒng),將三維細(xì)胞培養(yǎng)集成在芯片中,通過(guò)微通道實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間相互作用,可模擬血管化、機(jī)械刺激和組織灌注。 例如英國(guó)Kirkstall Quasi Vivo多功能細(xì)胞類器官芯片
- 典型模型:
- 肺芯片(2010年):由多孔膜分隔的兩個(gè)微通道組成,分別培養(yǎng)肺泡上皮細(xì)胞和肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞,可模擬呼吸運(yùn)動(dòng)和肺部感染。
- 心臟芯片:基于人類iPSCs分化的心肌細(xì)胞,可模擬心臟收縮(頻率55~80 bpm),用于藥物評(píng)估。
- 腦芯片:模擬神經(jīng)祖細(xì)胞遷移,用于神經(jīng)發(fā)育和腫瘤研究。
- 肝芯片、腎芯片、胰腺芯片:分別用于評(píng)估肝毒性、腎毒性和研究囊性纖維化相關(guān)胰腺功能障礙。
六、細(xì)胞培養(yǎng)的新展望
- 人體芯片(Human-on-a-Chip):整合多個(gè)器官芯片,通過(guò)微通道模擬全身生理相互作用,有望替代動(dòng)物實(shí)驗(yàn),用于系統(tǒng)生物學(xué)研究和藥物測(cè)試。
- 挑戰(zhàn):缺乏通用細(xì)胞培養(yǎng)基;血管化技術(shù)尚未成熟;微通道設(shè)計(jì)需模擬體內(nèi)血管特性。
- 應(yīng)用前景:推動(dòng)個(gè)性化 medicine 發(fā)展,加速藥物研發(fā),深入解析疾病機(jī)制。
七、結(jié)論
二維細(xì)胞培養(yǎng)為生物醫(yī)學(xué)研究奠定了基礎(chǔ),但存在局限性;三維細(xì)胞培養(yǎng)(球體、類器官)和器官芯片技術(shù)通過(guò)模擬體內(nèi)微環(huán)境,在臨床前研究、藥物篩選和再生醫(yī)學(xué)中顯示出巨大潛力,未來(lái)將進(jìn)一步縮小基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用的差距。
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