转化医学论文——3D细胞培养技术
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3D细胞培养技术的发展和应用
摘要:传统细胞培养技术在模拟细胞体内生存环境方面做得还不够。
3D细胞培养技术的发明就是为了在细胞培养过程中,为细胞
提供一个更加接近体内生存条件的微环境。本文阐述了何为
3D细胞培养技术,3D细胞培养技术的发展过程以及其最新科
学进展。主要描述3D细胞培养技术的基础理论发展到临床实
践应用的过程,让读者了解并知道什么是3D细胞培养技术以
及其临床实践应用,使3D细胞培养技术更能有效、普遍地应
用于临床治疗中去,造福处在疾病中的人们。
关键词:3D细胞培养技术 3D心脏组织人工器官
正文:
一、什么是3D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。3D 细胞培养技术(TDCC)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3D的细胞载体复合物。3D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(ECM)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,则最大程度地模拟体内环境。TDCC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3D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。
二、3D细胞培养技术的原理
利用磁性微球载体和磁悬浮技术使贴有细胞的微球载体悬浮在培养液中,确保了高质量、高密度的细胞繁殖,突破了传统有盖培养皿、培养瓶或微孔板细胞培养耗时繁琐,细胞产量微小等局限性。
三、3D细胞培养技术的临床应用
1、神经系统
从培植单一神经元成为多细胞聚集体,到海马体活标本切片后测试神经元电势,都有使用3D细胞培养的实例。另一个热点是选用神经干细胞取代AD,PD或硬化病中损伤的神经组织。
2、软骨和骨系统
成熟的软骨细胞和干细胞被广泛用于3D细胞培养,以再生损伤
的软骨、骨、韧带、肌腱和膝关节半月板。在培养系统中常加入一些生长因子,以刺激分化,产生组织。
3、肿瘤
3D细胞培养已被广泛运用到肿瘤学研究,在肿瘤的实验性治疗、肿瘤的侵袭性、转移和中心坏死的机制、肿瘤的血管形成和营养供给、体内基因表达的模拟等方面发挥了不可替代的作用。
4、心血管系统
用三维培养研究移植到体内的非细胞形式的心脏瓣膜如何适应
周边细胞环境。另外可以利用三维培养研究心内膜炎,心肌炎的病理过程。
四、3D细胞培养成功应用在临床治疗中的案例
1.治疗罕见先天“气管支气管软化”疾病患儿
2012年2月,密歇根大学附属莫特儿童医院的医疗队,组织进行了一次不寻常的手术。手术对象是一名出生刚三个月,患有罕见先天“气管支气管软化”疾病的男婴。
在莫特儿童医院里的男婴一直戴着呼吸器,他脆弱的气管组织需要被修复或替换,但手术风险太大,更何况对象还是这么小的一个孩子。
医疗队联系了这个男婴在阿克伦儿童医院的主治医生,然后很快做出了用3D细胞培养气管换掉故障气管的决定。
密歇根大学医疗队层处理过类似的病例,但这一次他们面临更严峻的挑战。
医疗队的研究人员先用CT扫描了男婴的胸腔部位,然后制作出该部位的三维图像模型。基于这模型,医疗队制作和打印出了一块小“夹板”,用来加固男婴脆弱的气管,同时保持气管畅通。
这“夹板”坚固且柔软,能够随着男婴的成长而变大。研究人员称,“夹板”要在男婴胸腔内呆三年,直到破损的气管痊愈。2013年5月,据《新英格兰医学杂志》报道,男婴已在如常人般长大。
2.治疗先天性心脏缺陷患者
纽约长老会医院的埃米尔·巴查博士医生就讲述了他最近使用3D细胞培养的心脏救活一名2周大婴儿的故事。
报道称,这名婴儿患有先天性心脏缺陷,它会在心脏内部制造“大量的洞”。在过去,这种类型的手术需要停掉心脏,将其打开并进行观察,然后在很短的时间内来决定接下来应该做什么。
但有了3D细胞培养技术之后,巴查医生就可以在手术之前制作出心脏的模型,从而使他的团队可以对其进行检查,然后决定在手术当中到底应该做什么。
“这名婴儿原本需要进行3-4次手术,而现在一次就够了,”巴查医生说,“这名原本被认为寿命有限的婴儿今后应该可以过上正常的生活。”
巴查医生说,他使用了婴儿的MRI数据和3D细胞培养技术制作了这个心脏模型。整个制作过程共花费了数千美元,不过他预计制作价格会在未来降低。
结束语:
MIT科学家开发出一种培养3D组织的技术,研究者在其文章中描述了他们是如何构建特殊类型的脚手架来培养功能性3D心脏组织的,该技术有望帮助科学家实现培养人工器官的梦想。
时至今日,科学家还只能培养二维组织或者简单的三维组织。在本研究在,科学家从微电子学领域得到灵感构建了脚手架,使得科学家能够模拟自然情况来培养高度复杂的心脏结构。
3D培养器官的一个重要问题是如何指导细胞沿着正确的方向生长,不然就不会具有正常器官的功能。以心脏为例,纤维组织必须排列的恰到好处,使得血流以正确的方式进入心脏的不同腔室。为了人工复制该组织,科学家改进了将薄材料铺设到电路板上的仪器,科学家使用该仪器将中间有孔洞的薄橡胶聚合物叠加起来,孔洞以一定方
式连接在一起,这样心肌细胞就能够穿过它们进行生长,模拟正常心脏中穿过不同纤维的过程。
总而言之,3D细胞培养技术在临床应用中已初具雏形,在今后的发展中必将有更大的作用,使人们可以活用这项技术,医治处在疾病中的人们,使人们的生活更加健康更加有质量。转化医学将是未来医学的发展方向,希望转化医学能够更加造福人类!
参考文献:
(1)胡康洪,姚颖,三维细胞培养技术的研究与应用,医学分子生物学杂志,2008,5(2)
(2)孔庆玲,美国医生利用3D打印心脏救活2岁先心病婴儿,中国新闻网,2014
(3)J erome Groopman,3D打印如何带来医疗新革命,纽约客,2014 (4)M artin E.Kolewe,Xiaofeng Ye,Robert Langer,3D Structutal Pattern in Scalable,Advanced Materials,2013