揭秘！类器官培养全过程

2024-03-25

深度聚焦类器官与3D培养论坛，OTC2024论坛合作详询：王晨 180 1628 8769类器官培养技术的基本原理该技术的原理是通过改变培养条件和基质,使细胞形成团块,然后自发形成细胞集合体。细胞集合体之间的交互作用可以促进细胞重构成特定器官的形态和功能。细胞自我组织形成具有原器官特性的三维结构主要涉及以下几个步骤：1. 细胞采集：需要从特定的器官中提取出成熟细胞或干细胞。这些细胞通常具有自我更新和分化的能力，能够为构建类器官提供必要的细胞资源。2. 细胞培养：将这些细胞在体外的特定条件下在类器官培养基质上进行培养。这些条件通常包括适宜的营养物质、生长因子、氧气浓度等。在适宜的条件下，细胞会开始自我更新和分化。3. 细胞自我组织：在一段时间的培养后，细胞会根据其内在的生物学机制开始自我组织，形成具有原始组织器官特性的三维结构。这一过程通常涉及细胞与细胞之间、细胞与基质之间的相互作用。4. 类器官的成熟：进一步的培养和优化，细胞之间的相互作用会使得这个三维结构越来越接近原器官的生理状态，从而形成成熟的类器官。类器官培养的步骤：1. 选择细胞类型：选择适合的细胞类型是类器官培养的第一步。需要根据要模拟的器官类型和目标研究的特性，选取相应的成体干细胞或干细胞。例如，如果目标是构建肝脏类器官，可以选择肝脏成体干细胞；如果目标是研究神经退化疾病，可以选择神经干细胞。2. 设置培养条件：培养条件的设置需要模拟细胞在体内的生理环境，以促进细胞的生长和分化。这包括适宜的温度、pH值、氧气浓度、营养物质和生长因子等。这些条件的设置需要根据细胞的特性和需求来进行，可能需要通过一系列的实验来优化。3. 观察和分析类器官的形成过程：在培养过程中，需要定期观察和分析类器官的形成和发展过程。这主要通过显微镜观察细胞的生长状况，通过细胞标记和成像技术观察细胞的分化和组织结构的形成，通过生物化学和分子生物学方法分析细胞的功能状态。这一步骤对于理解类器官的形成机理，优化培养条件，评估类器官的质量等都非常重要。类器官培养的关键因素1. 培养条件：细胞的生长和分化需要在特定的环境条件下进行，这些条件包括适宜的温度、pH值、氧气浓度、营养物质和生长因子等。设置适宜的培养条件，可以模拟细胞在体内的生理环境，从而促进细胞的生长和分化。以下是这些条件选择的一些基本考虑因素：温度：大多数人体细胞在37度的环境下生长最佳。但是某些细胞可能需要特定的温度条件。因此，需要在实验初期通过不断尝试找到最适合细胞生长的温度。pH值：大部分人体细胞在pH值为7.4的环境中生长最佳。如果pH值过高或者过低，可能会影响细胞的生长。因此，需要定期检测和调整培养介质的pH值，以保证其在适宜的范围内。氧气浓度：人体内的氧气浓度通常保持在5%到10%之间。过高或过低的氧气浓度可能会影响细胞的生长。需要使用氧气控制器来调整和维持适宜的氧气浓度。营养物质：细胞的生长需要充足的营养物质，包括葡萄糖、氨基酸、维他命等。这些营养物质的供应通常来自培养介质。需要选择合适的培养介质，以满足细胞的营养需求。生长因子：生长因子可以刺激细胞的增殖和分化。不同类型的细胞可能需要不同的生长因子。通过在培养介质中添加特定的生长因子，可以促进细胞的生长和分化。总的来说，选择类器官培养的适宜条件是一个复杂的过程，需要根据具体的实验目标和需求，通过不断的试验和优化来找到最适合的条件。常用的类器官培养生长因子及其厂家包括： 1. EGF (表皮生长因子) - 常见的厂家有Sigma-Aldrich, Thermo Fisher Scientific, 和 R&D Systems等。 2. FGF (成纤维细胞生长因子) - 常见的厂家有Sigma-Aldrich, Thermo Fisher Scientific, 和 R&D Systems等。 3. TGF-β (转化生长因子-β) - 常见的厂家有Sigma-Aldrich, Thermo Fisher Scientific, 和 R&D Systems等。 4. Wnt3a (Wnt3a翼状蛋白) - 常见的厂家有R&D Systems和 Miltenyi Biotec等。 5. R-spondin1 - 常见的厂家有R&D Systems和 PeproTech等。 6. Noggin - 常见的厂家有R&D Systems和 PeproTech等。 2. 培养基质：培养基质为细胞提供了物理支撑，使得细胞能够在三维空间中生长和分化，同时，它也能模拟细胞在体内的微环境，从而影响细胞的行为。因此，选择合适的培养基质也是类器官培养成功的关键。类器官的培养过程中起到至关重要的作用。它不仅为细胞提供了物理支撑，使得细胞能够在三维空间中生长和分化，同时，它也能模拟细胞在体内的微环境，从而影响细胞的行为和命运决定。因此，选择合适的培养基质是类器官培养成功的关键。培养基质主要包括两种类型：（1）自然来源的基质：这些基质主要来源于动物体内的组织，如胶原、基质胶等。这些基质具有良好的生物相容性和细胞黏附性，能够模拟细胞在体内的微环境，从而促进细胞的生长和分化。然而，这些基质存在来源有限、成分复杂、质量控制难等问题。（2）合成基质：这些基质是通过化学合成或生物工程技术制备的，如聚乙烯醇、聚乙二醇等。这些基质的成分和性质可以精确控制，因此，它们能够为类器官的培养提供更稳定和可控的环境。然而，这些基质的生物相容性和细胞黏附性可能不如自然基质。在选择培养基质时，需要根据特定的需求和条件综合考虑。例如，如果需要模拟特定的生理微环境，可能需要选择含有特定生长因子或细胞黏附分子的基质。如果需要构建大尺寸的类器官，可能需要选择具有良好机械性能的基质。此外，也需要考虑基质的成本、可用性和操作便利性等因素。目前市场上常用的基质胶为美国BD Biosciences公司的Matrigel®，在行业内处于较为垄断的地位，价格较高。Matrigel可以产生类似于哺乳动物细胞基底膜的生物活性基质材料，帮助多种类型的细胞达到附着和分化。Matrigel的来源是小鼠肉瘤细胞系，除了成本较高的问题，同时批次间存在一定的变异性。且由于是动物来源，对于有机类的药物的检测有局限性。 3.支持技术：类器官的构建和培养过程相对复杂，需要精确的控制和专业的技术支持，包括细胞分离、培养、成像和分析等技术。细胞分离通常需要通过物理或化学方法来实现。物理方法包括机械切割和过滤，这种方法操作简单，但可能会对细胞造成损伤。化学方法包括使用酶来消化组织，这种方法可以更有效地分离出细胞，但需要特别注意控制酶的浓度和作用时间，以避免对细胞造成过度的损伤。细胞成像主要是对细胞和类器官的形态、结构和功能进行观察和分析，确定类器官的生长状态和分化情况。通常需要借助显微镜和各种成像技术，如光学显微镜、电子显微镜、共聚焦显微镜和活细胞成像等。通过细胞成像，可以观察细胞的形态变化、细胞亚结构和细胞间的相互作用，以及细胞的功能状态。细胞分析是通过生物化学和分子生物学方法，对细胞和类器官的生物化学成分和分子结构进行检测和分析。包括蛋白质分析、基因表达分析、细胞周期分析和细胞功能分析等，可以实现对细胞的生理状态和功能特性进行深入理解，以便更好地模拟和研究真实的器官环境。类器官培养的技术难点和解决方法1. 细胞来源的限制：类器官的构建需要大量的原始细胞或干细胞。然而，这些细胞的获取往往受到限制，尤其是人类细胞。可能的解决方案包括使用诱导多能干细胞（iPSCs）或者成体干细胞，这些细胞能够在体外无限制地扩增，而且可以通过遗传和表观遗传调控，诱导其分化为任何类型的细胞。2. 模拟体内环境的挑战：体外的培养条件往往无法完全模拟细胞在体内的微环境，特别是免疫微环境，这可能影响细胞的生长和分化，以及类器官的构建。可能解决方案包括开发新的培养技术和材料，如微流控芯片和生物材料，以模拟细胞在体内的物理和化学环境。也可以通过加入外源的细胞实现对体内环境更好的模拟，如向肿瘤类器官中加入免疫细胞模拟肿瘤微环境。3. 类器官的复杂度和规模的挑战：目前类器官的大小和复杂度还远远无法达到真实器官的水平，这限制了它们的应用。可能解决方案包括采用3D打印和生物反应器等技术，生成更大规模和更复杂的类器官。4. 类器官的功能验证的挑战：类器官的功能验证通常需要在动物模型中进行，然而，这些模型可能无法准确反映人体的情况。可能解决方案包括开发新的体外验证方法，如使用微流控芯片进行药物筛选和毒性测试。5. 类器官培养的时间和成本的挑战：类器官的培养需要长时间的培养，而且成本较高。可能解决方案包括优化组织或器官特异性培养方法和条件，以提高细胞的生长速度和效率，降低成本。END深度聚焦类器官与3D培养论坛，OTC2024论坛合作详询：王晨 180 1628 8769戳“阅读原文”立即领取限量免费参会名额!