癌癥研究人員應(yīng)用3D細胞培養(yǎng)的5大原因
- 作者: 基爾比生物科技
- 來源: 公眾號“基爾比”
- 日期 : 2024-02-17
許多癌癥模型系統(tǒng)可用于研究疾病發(fā)生機制和篩選治療方法。不同的模型各有利弊，二維（2D）組織培養(yǎng)模型不能體現(xiàn)人體癌癥組織的復(fù)雜性，而動物模型昂貴、耗時且經(jīng)常不能反映人類腫瘤生物學(xué)。癌細胞的三維（3D）培養(yǎng)是發(fā)現(xiàn)新候選藥物一種科學(xué)嚴謹?shù)姆椒?，可以加快新藥發(fā)現(xiàn)速度，用于臨床前篩查和測試，節(jié)省大量成本和時間。
臨床前癌癥藥物研究中僅有 5% 的候選化合物通過了 III 期臨床安全性和有效性試驗。研究人員設(shè)計了大量的模型系統(tǒng)來研究腫瘤的復(fù)雜成分（圖1）及其治療方法，所有模型都有兩個關(guān)鍵要求：首先是能夠監(jiān)控細胞數(shù)量和生存能力，因為癌癥的一個關(guān)鍵特征是由多種機制維持的不受控制的細胞增殖；其次是研究癌細胞向周圍組織遷移和侵襲的能力，因為癌細胞轉(zhuǎn)移會損傷周圍組織，使治療復(fù)雜化。理想的模型可以包括血管生成和免疫系統(tǒng)逃避機制，因這兩者都有助于腫瘤長期存活。同時臨床前模型應(yīng)相對便宜，適合高通量篩選，并盡可能地反映人類腫瘤生物學(xué)。
1. 3D培養(yǎng)細胞改變增殖速率和細胞形態(tài)
當(dāng)癌細胞生長成扁平單層時，它們在整個表面以相對均勻的速度增殖。然而，相同的細胞在3D中生長會誘導(dǎo)不同速率的增殖區(qū)域（圖 3），細胞分裂在球體外部發(fā)生得更快。
與單層生長的相同細胞相比，生長成 3D 球體的細胞對化療的耐藥性增加。這可能是因為球體內(nèi)部的細胞受到球體外部細胞的藥物滲透保護作用。也有人提出與上述差異增殖區(qū)有關(guān)的機制：一些化療藥物（如順鉑）可能通過在增殖細胞中誘導(dǎo) DNA 損傷引起細胞凋亡，而封閉在球體內(nèi)部的靜止細胞則受到保護而不受順鉑等藥物的影響，一旦外部細胞死亡，就會重新進入細胞周期，如果治療過早停止，這些“受保護”的細胞可能會重現(xiàn)一個縮小但沒有完全殺死的腫瘤。
3. 3D培養(yǎng)細胞具有表型異質(zhì)性
同一腫瘤內(nèi)的細胞群也會出現(xiàn)以不同增殖速率、基因表達和分化為標志的異質(zhì)性，導(dǎo)致細胞形態(tài)和功能的改變。不同的表型意味著巨大的生理學(xué)差異，使得靶向藥物難以殺死整個腫瘤。由于腫瘤不同區(qū)域有不同的氧氣和營養(yǎng)濃度梯度，因此3D細胞培養(yǎng)模型比小鼠異種移植模型能更真實地模擬腫瘤。
4.3D培養(yǎng)細胞改變基因表達和細胞行為
同樣的細胞在3D與2D中培養(yǎng)產(chǎn)生不同的基因表達模式。細胞外基質(zhì)（ECM）控制細胞內(nèi)信號的一個假設(shè)是通過跨膜整合素蛋白的不同亞型的結(jié)合。然后整合素與各種細胞內(nèi)銜接蛋白相互作用形成粘著復(fù)合物，調(diào)節(jié)生長因子受體下游的信號通路（圖 5）。在3D培養(yǎng)模型中，細胞與ECM和基質(zhì)細胞的相互作用改變了細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，最終激活特定的轉(zhuǎn)錄因子。由于轉(zhuǎn)錄因子最終負責(zé)基因表達，細胞間相互作用的改變直接導(dǎo)致基因表達的改變。這些基因表達的改變驅(qū)動了形態(tài)學(xué)、增殖率和耐藥性的改變，所有這些改變都促進了更具代表性的癌癥組織的形成。
如上所述， 3D 培養(yǎng)細胞更接近于在活腫瘤內(nèi)生長的細胞。建立 3D 模型系統(tǒng)可以通過更早地生成更真實的結(jié)果來節(jié)省時間和金錢。在體外重塑腫瘤要求包含腫瘤的所有成分，以重現(xiàn)典型的細胞形態(tài)和功能。這些成分中的每一個都會影響其他成分的生物學(xué)行為，并最終形成功能性腫瘤模型。當(dāng)細胞從腫瘤中移除并在塑料平皿上單層生長時，這些相互作用的喪失改變了它們的生物學(xué)行為，并導(dǎo)致了不合標準的模型。在臨床試驗之前，通常需要在動物模型中評估療效和毒性，但動物模型和人類生理學(xué)之間的物種差異導(dǎo)致無法建立符合人體的腫瘤微環(huán)境。而早期利用 3D培養(yǎng)細胞進行臨床前研究可以極大提高對癌癥的機制理解，篩除較差的候選藥物，并有希望揭示在2D篩查中可能遺漏的新靶點。
臨床前癌癥藥物研究中僅有 5% 的候選化合物通過了 III 期臨床安全性和有效性試驗。研究人員設(shè)計了大量的模型系統(tǒng)來研究腫瘤的復(fù)雜成分（圖1）及其治療方法，所有模型都有兩個關(guān)鍵要求：首先是能夠監(jiān)控細胞數(shù)量和生存能力，因為癌癥的一個關(guān)鍵特征是由多種機制維持的不受控制的細胞增殖；其次是研究癌細胞向周圍組織遷移和侵襲的能力，因為癌細胞轉(zhuǎn)移會損傷周圍組織，使治療復(fù)雜化。理想的模型可以包括血管生成和免疫系統(tǒng)逃避機制，因這兩者都有助于腫瘤長期存活。同時臨床前模型應(yīng)相對便宜，適合高通量篩選，并盡可能地反映人類腫瘤生物學(xué)。
圖1 上皮腫瘤和周圍環(huán)境——一個復(fù)雜的生物學(xué)模型
動物模型常被用來研究人類腫瘤。癌癥動物模型是在嚙齒動物中通過手術(shù)植入腫瘤細胞或開發(fā)基因工程動物來建立，這些動物響應(yīng)實驗性改變的基因表達而自發(fā)地發(fā)展出類似人類的腫瘤（圖 2）。
圖2 嚙齒動物癌癥模型
最簡單的癌癥模型是利用源自人和動物腫瘤的細胞在培養(yǎng)基中進行單層培養(yǎng)。在這種結(jié)構(gòu)中，細胞粘附在人造塑料或玻璃基板上，僅在其外圍與其他細胞接觸，不存在氧氣、營養(yǎng)物或代謝廢物的濃度梯度，無法反映體內(nèi)的多細胞微環(huán)境。雖然在 2D 培養(yǎng)中生長的永生化腫瘤細胞系為癌癥的發(fā)生機制提供了大量信息，但 95% 的藥物研發(fā)失敗率證明它是一個糟糕的藥物研發(fā)模型。動物模型失敗的原因尚不完全清楚?？茖W(xué)家們一直在研發(fā)3D組織培養(yǎng)模型，以彌合用于發(fā)現(xiàn)和篩選藥物的體外實驗與用于有效性和安全性評估的體內(nèi)實驗之間的差距。具有特定微環(huán)境的3D細胞培養(yǎng)模型與2D細胞培養(yǎng)及早期動物模型相比具有以下優(yōu)勢。1. 3D培養(yǎng)細胞改變增殖速率和細胞形態(tài)
當(dāng)癌細胞生長成扁平單層時，它們在整個表面以相對均勻的速度增殖。然而，相同的細胞在3D中生長會誘導(dǎo)不同速率的增殖區(qū)域（圖 3），細胞分裂在球體外部發(fā)生得更快。
圖3球狀體中氧、營養(yǎng)和代謝廢物濃度不同的區(qū)域的細胞增殖
在3D中生長的卵巢上皮腫瘤細胞，會發(fā)生組織形態(tài)學(xué)分化，與分化良好的（I級）漿液性卵巢癌相似（圖4）。相同的卵巢上皮腫瘤細胞在 2D 中生長時，則沒有這種組織學(xué)分化。因此，3D培養(yǎng)可用于研究腫瘤形態(tài)。
圖42D和3D中生長的卵巢上皮腫瘤細胞
2. 3D培養(yǎng)細胞揭示了更真實的藥物反應(yīng)與單層生長的相同細胞相比，生長成 3D 球體的細胞對化療的耐藥性增加。這可能是因為球體內(nèi)部的細胞受到球體外部細胞的藥物滲透保護作用。也有人提出與上述差異增殖區(qū)有關(guān)的機制：一些化療藥物（如順鉑）可能通過在增殖細胞中誘導(dǎo) DNA 損傷引起細胞凋亡，而封閉在球體內(nèi)部的靜止細胞則受到保護而不受順鉑等藥物的影響，一旦外部細胞死亡，就會重新進入細胞周期，如果治療過早停止，這些“受保護”的細胞可能會重現(xiàn)一個縮小但沒有完全殺死的腫瘤。
3. 3D培養(yǎng)細胞具有表型異質(zhì)性
同一腫瘤內(nèi)的細胞群也會出現(xiàn)以不同增殖速率、基因表達和分化為標志的異質(zhì)性，導(dǎo)致細胞形態(tài)和功能的改變。不同的表型意味著巨大的生理學(xué)差異，使得靶向藥物難以殺死整個腫瘤。由于腫瘤不同區(qū)域有不同的氧氣和營養(yǎng)濃度梯度，因此3D細胞培養(yǎng)模型比小鼠異種移植模型能更真實地模擬腫瘤。
4.3D培養(yǎng)細胞改變基因表達和細胞行為
同樣的細胞在3D與2D中培養(yǎng)產(chǎn)生不同的基因表達模式。細胞外基質(zhì)（ECM）控制細胞內(nèi)信號的一個假設(shè)是通過跨膜整合素蛋白的不同亞型的結(jié)合。然后整合素與各種細胞內(nèi)銜接蛋白相互作用形成粘著復(fù)合物，調(diào)節(jié)生長因子受體下游的信號通路（圖 5）。在3D培養(yǎng)模型中，細胞與ECM和基質(zhì)細胞的相互作用改變了細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，最終激活特定的轉(zhuǎn)錄因子。由于轉(zhuǎn)錄因子最終負責(zé)基因表達，細胞間相互作用的改變直接導(dǎo)致基因表達的改變。這些基因表達的改變驅(qū)動了形態(tài)學(xué)、增殖率和耐藥性的改變，所有這些改變都促進了更具代表性的癌癥組織的形成。
圖5 ECM控制細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)來調(diào)節(jié)下游的信號通路
5. 3D培養(yǎng)細胞模擬腫瘤微環(huán)境如上所述， 3D 培養(yǎng)細胞更接近于在活腫瘤內(nèi)生長的細胞。建立 3D 模型系統(tǒng)可以通過更早地生成更真實的結(jié)果來節(jié)省時間和金錢。在體外重塑腫瘤要求包含腫瘤的所有成分，以重現(xiàn)典型的細胞形態(tài)和功能。這些成分中的每一個都會影響其他成分的生物學(xué)行為，并最終形成功能性腫瘤模型。當(dāng)細胞從腫瘤中移除并在塑料平皿上單層生長時，這些相互作用的喪失改變了它們的生物學(xué)行為，并導(dǎo)致了不合標準的模型。在臨床試驗之前，通常需要在動物模型中評估療效和毒性，但動物模型和人類生理學(xué)之間的物種差異導(dǎo)致無法建立符合人體的腫瘤微環(huán)境。而早期利用 3D培養(yǎng)細胞進行臨床前研究可以極大提高對癌癥的機制理解，篩除較差的候選藥物，并有希望揭示在2D篩查中可能遺漏的新靶點。