三维细胞培养技术的研究与应用_胡康洪

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导的针对人体 的干细胞临床治 疗带来了风险 。 最 近 , 作者所在的研究组在世界上首创植入人体后无 任何副作用并能被降 解的聚脂羊毛 作为 “人工脉 管” ( a r t i f i c i a l i n t e r s t i t i u m )代 替 E C M生长支 架 ,
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领域 , 通过细胞的快速分裂 , 从而高效率地制造产 品 。 但在生命科学基础研究领域 , 对于细胞的体外 培养 , 关注的不仅仅是它们的分裂生长 , 而更为重 要的是它们经过传代后能否维持体内的性状 。 在很 多情况下 , 单层细胞培养技术所取到的研究结果和 体内的情况不符合 , 因为细胞在体外改变的环境下 增生 , 逐渐丧失了原有的性状 。 动物实验完全在体 内进行 , 但由于体内的多种因素制约以及体内和外
医学分子生物学杂志 ,
2008, 5 ( 2) : 185-188 J M e dM o l B i o l , 2008, 5 ( 2) : 185188
三维细胞培养技术的研究与应用
胡康洪
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1, 2
, 姚颖
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中国科学院武汉病毒研究所 武汉市 ,
4Hale Waihona Puke 0071 430030德国雷根斯堡大学分子和细胞解剖学研究所 德国 , 雷根斯堡 , 93053 华中科技大学同济医学院附属同济医院肾内科 武汉市 ,
并且运用完全不含血清的 D M E M化学培养基培植 干细胞 , 从而建 立了完全可控 制的生长环 境 。 这种第 2 代三维培养技术 , 排除了 M a t r i g e l 和血 清 ( 由于未经过彻底检测而可能污染 p r i o n )带来 的风险因素 , 为干细胞临床治疗奠定了安全前提 。 人工脉管模拟体内环境 , 由细小的纤维 、 间隙和孔 洞组成 , 氧气 、 激素和营养成分得以通过 , 而废物 可以从里面过滤出来 。 所创建的这种和 E C M有相 同功用的新型三维 “脚手架 ”, 使干细胞能够在上 面生长 、 繁殖 , 在 加入特 定的 形态发 生素 ( m o r p h o g e n )或生长因子后 , 还使干细胞定向分化 。 利 用我们所创建的这种新颖的三维培养系统培植兔肾 干细胞 , 在精确可控制的生长环境下 , 加入盐皮质 激素醛固酮后发现能成功地分化有功能作用的肾小 管 , 其分化的结构能够维持 4 周以上而不崩解
【 摘要 】 单层细胞 培养由于细胞在体外改变的环 境下增 生逐渐 丧失了 原有的性 状 , 往往 和体内 情况不相 符 ;动物实验虽在体内进行 , 但体内多 种因素制约以及体内和外 界环境相 互影响而不 能观察到研 究者最为 关心的中间过程 。 三维细胞培 养技术模拟体内的微环境 , 填补 了单层细 胞培养和动 物实验的鸿 沟 。 文章重 点阐述了该技术在医 学领域的广泛运用 , 介绍了新近建立的 三维培养系 统 。 用人工脉 管取代细胞 外基质生 长支架 , 在完全可控制的生长 条件下 , 肾干细胞能分化产生结 构完整的 肾小管 , 在肾的 发育生物 学研究和 组织工程领域作出了 独特贡献 。 【 关键词 】 单层细胞培养 ; 三维细胞培养 ;人工脉管 【 中图分类号 】 R 345
A d v a n c e s i nA p p l i c a t i o no f T h r e e D i me n s i o n a l C e l l C u l t u r e
H UK a n g h o n g , Y A OY i n g 1 W u h a nI n s t i t u t e o f V i r o l o g y , C h i n e s e o f S c i e n c e , W u h a n , 430071 , C h i n a
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I n s t i t u t e o f M o l e c u l a r a n d C e l l u l a r A n a t o m y , U n i v e r s i t yo f R e g e n s b u r g , R e g e n s b u r g , 93053 , G e r m a n y D e p a r t m e n t o f N e p h r o l o g y , T o n g j i M e d i c a l C o l l e g e , H u a z h o n gU n i v e r s i t y o f S c i e n c e ＆T e c h n o l o g y ,
自 Wi l l h e l mR o u x 于 1885 年从鸡胚中分离细胞 首次建立体外细胞培养 , 单层细胞培养技术已有百 余年的历史 。 一个多世纪以来 , 单层细胞培养有了 蓬勃的发展 , 特别是在制药或者疫苗合成等产业化
同为第一作者 通讯作 者 :胡 康洪 ( 电 话 : 02787198921, E m a i l :k a n g h o n g h u @ h o t m a i l . c o m ) C o r r e s p o r d i n g a u t h o r :H UK a n g h o n g( T e l : 862787198921, E m a i l : k a n g h o n g h u @h o t m a i l . c o m )
W u h a n , 430030 , C h i n a 【 A b s t r a c t 】 C e l l s l o s e m a n y o f t h e i r p r o p e r t i e s a f t e r m o n o l a y e r c u l t u r eb e c a u s eo f t h e i r c o n t i n u o u s p r o l i f e r a t i o ni n t h ei nv i t r oe n v i r o n m e n t .T h u s , i nm a n yc a s e s t h es t u d yr e s u l t s c a nn o t r e f l e c t t h ec o r r e s p o n d i n g i nv i v o c o n d i t i o n s .Wi t ha n i m a l t e s t s , b e c a u s et h e p h e n o t y p e s a r e a c t u a l l yd e t e r m i n e d b y t h e i n t e r a c t i o n s b e t w e e ni nv i v o f a c t o r s a n d e x t e r n a l e n v i r o n m e n t , m a n y i n t e r m e d i a t e e v e n t s a r eo m m i t e d .T h et h r e e d i m e n s i o n a l c e l l c u l t u r e( T D C C )c a nb r i d g et h eg a pb e t w e e nm o n o l a y e r c e l l c u l t u r e a n da n i m a l e x p e r i m e n t .We d e v e l o p e d a n o v e l T D C Cs y s t e m , w h i c hu s e s a r t i f i c i a l i n t e r s t i t i u mi n s t e a d o f e x t r a c e l l u l a r m a t r i x t o s i m u l a t e t h e m i c r o e n v i r o n m e n t i n v i v o .I t e n a b l e s r e n a l s t e m c e l l s t o r e g e n e r a t et h e s t r u c t u r a l l yc o m p l e t e t u b u l e s i nv i t r o u n d e r t h ea b s o l u t e l yc o n t r o l l a b l e g r o w t h c o n d i t i o n s .T D C Cc a ns e r v e a s a p o w e r f u l t o o l f o r t i s s u e e n g i n e e r i n g . 【 K e yw o r d s 】 m o n o l a y e r c e l l c u l t u r e ;t h r e e d i m e n s i o n a l c e l l c u l t u r e ;a r t i f i c i a l i n t e r s t i t i u m
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胡康洪 , 等 .三维细胞培养技术的研究与应用
界环境相互影响而变 得复杂化 , 难 以研究单一过 程 。 另外 , 我们在动物身上所观察到的结果 , 往往 是最终呈现的表现 , 而非研究者最为关心的中间过 程 。 显然 , 如何填补单层细胞培养和动物实验的鸿 沟 , 一直是生命科学家思索的问题 。 尤其是在发育 生物学领域 , 迫切需要建立一套细胞培养技术 , 既 能生长传代 , 还能最大程度地维持体内性状 , 并分 化产生新的组织结构 , 以便全面研究发育过程 。 随 着组织工程的新兴发展 , 三维细胞培养技术就应运 [ 1] 而生了 。 1 什么是三维细胞培养技术 体外细胞培养的一个重要原则是需模拟体内细 胞生长环境 , 该模拟系统中最重要的核心因素是细 胞与培养环境之间的相互作用 。 不同于传统的二维 化单层 细 胞培 养 , 三维 细 胞培 养 技术 ( t h r e e d i m e n s i o n a l c e l l c u l t u r e , T D C C )是指将具 有三维结 构不同材料的载体与各种不同种类的细胞在体外共 同培养 , 使细胞能够在载体的三维立体空间结构中 迁移 、 生长 , 构成三维的细胞 载体复合物 。 三维 细胞培养是将细胞培植在一定的细胞外基质中 , 细 胞外基质 ( e x t r a c e l l u l a r m a t r i x , E C M)蛋白充当生 长支架 , 使得细胞能够分化产生一定的三维组织特 异性结构 , 所创建的细胞生长环境 , 则最大程度地 [ 2] 模拟体内环境 。 T D C C 作为体外无细胞系统及单 层细胞系统的研究与组织器官及整体研究的桥梁 , 显示了它既能保留体内细胞微环境的物质及结构基 础 , 又能展现细胞培养的直观性及条件可控性的优 势 。 近几年三维细胞培养技术在组织形成 、 血管发 育和器官再造等发育生物学的分支领域得到了广泛 的应用 ; 同时在筛选新药的疗效分析和毒理实验方 面 , 利用三维培养获得了和二维单层培养完全不同 的结果 , 引起了药物学家的极大兴趣 2 三维细胞培养支架材料 现有的第 1代三维培养系统运用人工合成的生 物高分子微纤维支架 , 比如聚乳酸羟基乙酸﹑壳多 糖等 , 从而模拟三维微型生活环境 , 自三维培养系 统问世以来就投入实际运用 。 但合成高分子的降解 产物可能危害细胞生长 。 后来主要以更接近体内的 E C M如胶原蛋白作为生 长支架 , 并且多用含有血 清的培养基孵育细胞 , 由于 E C M和血清中包含大 量未 鉴定 组 分 , 尤 其 是 目前 实 验 室大 量 运 用的 E C M是商业上所获得的 M a t r i g e l , M a t r i g e l 是 从小鼠肿瘤组织中提取的抽提物 , 这为三维培养介