成纤维细胞3d立体培养（3D细胞培养体外模型探索新的深度）

成纤维细胞3d立体培养（3D细胞培养体外模型探索新的深度）对于药物筛选和药物发现来说，以所需规模培养器官体仍然具有挑战性。这一需求促使Molecular Devices收购了总部位于英国的Cellesce公司及其用于放大器官体生产的专有生物反应器技术，以进行10 000至50 000个化合物的器官体生产。客户可以指定所需的器官体类型，提供器官体系列，或提供患者组织进行扩展。Dhamija继续说，第二类是低吞吐量操作的工作流程。这些工作流程可能看起来不太理想，但在某些情况下可能更受青睐。“BioAssemblyBot 400（BAB400）是一种创新的具有六轴机械臂的三维生物打印机，是一种独立的解决方案，虽然吞吐量较低，但体积更小，”Dhamija解释道。“通过添加高内容成像仪和培养箱，具有可更换工具的六轴机械臂使该系统成为用于器官体提取、分配、监测和培养的独立工作单元。”为了促进三维生物学应用，Molecular Devices提供了ImageX

自2009年以来，有机体（Organoids）作为一种三维离体模型，能够自组织和自我复制，成为研究的重要领域。当时，由Hans Clevers博士领导的Hubrecht研究所的研究人员提出了一种通过单一小鼠肠干细胞培养微小肠的方法。经过Clevers和其他许多科学家的进一步研究，器官培养系统的基本原理已经得到广泛应用。在这些系统中，干细胞暴露于生长因子并在一个三维基质（通常是一种水凝胶）的支持下，形成功能性的微小器官。

如今，人类干细胞常常被用来生成模拟各种器官行为的器官体。与不死细胞系相比，器官体在重现原生组织的三维结构、异质性和功能性方面被认为更具生理学意义，因此被认为在模拟人类疾病和预测治疗反应方面更具相关性。

近期的立法使得人体模型在体外研究中的应用机会得到扩展。2022年末，拜登总统签署了《FDA现代化法案2.0》，该法案授权使用某些与动物试验替代的方法，包括细胞基因测定和计算机模型，以在临床试验之前研究药物的安全性和有效性。该法案还为FDA提供了更多资源，以推动器官体、器官芯片设备和其他三维模型的标准化。

填补空白

“要推进器官体的应用，需要一个能够相互配合的解决方案生态系统，” Molecular Devices战略和创新副总裁Shantanu Dhamija表示。“与顾客需要自己组装的零散提供方案相比，能够提供完整解决方案的合作伙伴关系将解决许多战术性问题。”

为了促进三维生物学应用，Molecular Devices提供了ImageXpress Confocal HT.ai高内容成像系统。这是一种用于高内容筛选的自动化显微镜。该显微镜具有高激发功率，可以实现短暴露时间，加快成像速度。支持分析软件IN Carta使用并行处理，比普通分析工作流程分析三维图像快40倍。

△分子设备使用其ImageXpress MiCRO Confocal高内容成像系统与Tessara Therapeutics的RealBrain 3D微组织平台相结合，制作了这张Z堆叠图像，捕捉了脑微组织的三维结构。微管蛋白使用Alexa-488（绿色）染色，胶质纤维酸性蛋白使用Alexa-594（红色）染色。

Dhamija指出，用于生成、监测和使用器官体的工作流程通常分为两类，根据吞吐量的不同。第一类是全自动、高吞吐量的器官体生成和分析管理工作流程。在这些工作流程中，调度软件将多个成像仪、液体处理器、离心机和其他仪器连接起来，自动化重要步骤，如将Matrigel注入凸起体、细胞移植或给药。

Dhamija继续说，第二类是低吞吐量操作的工作流程。这些工作流程可能看起来不太理想，但在某些情况下可能更受青睐。“BioAssemblyBot 400（BAB400）是一种创新的具有六轴机械臂的三维生物打印机，是一种独立的解决方案，虽然吞吐量较低，但体积更小，”Dhamija解释道。“通过添加高内容成像仪和培养箱，具有可更换工具的六轴机械臂使该系统成为用于器官体提取、分配、监测和培养的独立工作单元。”

对于药物筛选和药物发现来说，以所需规模培养器官体仍然具有挑战性。这一需求促使Molecular Devices收购了总部位于英国的Cellesce公司及其用于放大器官体生产的专有生物反应器技术，以进行10 000至50 000个化合物的器官体生产。客户可以指定所需的器官体类型，提供器官体系列，或提供患者组织进行扩展。

Dhamija宣称：“这是一个重大突破。在药物发现中，人们对使用器官体产生了极大的兴趣。但目前的使用率仅约为20％，并且筛选规模还不大。”Molecular Devices还与Hubrecht研究所创办的非营利组织HUB Organoids合作，验证自动化肠道器官体筛选的下一代仪器。

Dhamija表示：“我们希望工业化器官体，以实现规模化、重复性、低成本和低误差。在器官体能够进入精准医学等应用之前，我们需要攻克筛选方面的挑战。随着新的治疗方式越来越接近人体，动物模型的适用性和洞察力将减弱。”据Dhamija称，Molecular Devices展示其对器官体的“基本信念”另一种方式是与位于维也纳的HeartBeat.bio合作，自动化生成心脏器官体（cardioids）。

利用微流控技术

Mimetas将全面的体外组织建模提升到了另一个层次。Mimetas的首席执行官Paul Vulto博士解释说：“以更全面的方式研究疾病可以考虑不同细胞类型之间关键的细胞相互作用。例如，您可以研究诸如免疫细胞招募这样对于支持新型免疫肿瘤治疗至关重要的方面，并找到免疫性疾病和纤维化的新靶点。”

为了支持这种体外组织建模方法，Mimetas提供了OrganoPlate微流控技术。体外组织模型通常包括上皮小管、间质、血管和免疫细胞，由三维细胞外基质凝胶支持，并进行持续灌注。OrganoPlate通常包含64个微流控芯片，并且可以完全自动化。

△Mimetas的OrganoPlate是一种微流控技术，用于体外培养应用，可以捕捉不同细胞类型之间的关键细胞间作用。这里展示的是一个全面的肿瘤模型，包括完整的血管丛、基质和免疫细胞。

Vulto断言：“由于我们拥有的PhaseGuide技术，我们可以在没有人工膜的情况下重建组织生理学。”他说：“我们的模型被用于理解疾病生物学、新靶点和化合物发现、优先级和选择，以及ADME/Tox临床前研究。”公司提供肠道、肝脏、肾脏、肺、中枢神经系统等多种模型。该公司将其应用于炎症和纤维化疾病以及癌症的研究。

OrganoReady产品系列中提供了多种模型，意味着活体组织将直接发送给客户。产品包括成人干细胞来源的肠道器官体和肾小管、血脑屏障内皮、Caco2小管和血管。OrganoReady产品用于临床前开发。典型的活动包括血脑屏障透过性、肠道吸收或毒性测试。

Vulto表示：“我们在开发新模型并将其用于解决当今尚未解决的疾病方面每天有60名科学家工作。根据Vulto的说法，该公司在肝细胞癌、肝转移、嵌合抗原受体T细胞疗法测定、传染性疾病、炎症性肠病、慢性肾脏疾病和其他适应症方面取得了显著进展。

筛选服务

Crown Bioscience生物库中包含200多个患者来源的器官体（PDO）模型，涵盖六种肿瘤标志物。值得注意的是，其中四种标志物拥有患者匹配的正常模型。此外，提供的肠炎PDO模型可以用于测试抗炎治疗和再生医学方法。

Crown Bioscience还利用其患者源异种移植生物库生成患者源异种移植器官体（PDXO）模型。提供了大约400个PDXO模型，涵盖18个适应症，并且该产品系列正在不断扩大（PLoS One 2023; 18(1): e0279821）。Crown Bioscience的器官体筛选副总监Mariusz Madej博士表示：“我们有与PDXO模型相匹配的体内模型，用于验证或疗效研究。”鉴定分析确保不存在基因漂移和污染，并且与原始组织的历史数据是可比较的。Madej继续说：“我们在器官体的传代过程中观察到非常高的相关性。与父代PDX模型相比，PDXO模型保留了基因背景和基因表达，并且在体外模型和体内模型中的药物反应相似。”

△Stemcell Technologies提供细胞培养基，支持干细胞、免疫学、癌症、再生医学和细胞疗法研究。例如，如图所示，该公司的STEMdiff肠道器官体试剂盒可以使多能干细胞发育成肠道器官体。

但是，需要遵循标准程序，以确保器官体不会失去干细胞群体。培养条件非常复杂，传代和冷冻方法对于维持长期高质量的培养至关重要。

作为一家合同研究机构（CRO），Crown Bioscience提供体外、体内和生物标志物分析服务。器官体可用于早期药物发现（对成千上万种化合物进行高通量筛选）以及药物开发（测试主要化合物的疗效、安全性、副作用、组合效应和药代动力学）。

由于器官体具有高药物反应预测性，因此也可以进行“体外临床试验”和下游生物标志物分析，以识别对治疗有反应和没有反应的患者群体。预计今年晚些时候发布的大型筛选能力将缩短时间并降低成本。

该公司提供几种已经经过充分表征的与免疫和间质细胞共培养的测定。同时，公司计划进一步扩展共培养复杂性。利用CRISPR-Cas技术可以开发用于特定应用的基因敲除、敲入和敲入模型。高内容成像可以同时进行可视化和定量分析，以深入研究复杂的形态和生物变化。

专门的培养试剂

可以通过控制器官体培养条件，支持原始细胞的内在编程并推动体外结构的组织，以前所未有的程度重新呈现组织的结构和功能特性。

根据Stemcell Technologies上皮生物学产品管理主管Jenna Moccia博士的说法，器官体的广泛应用面临一些主要挑战，这些挑战与器官体的潜在优势密切相关。例如，培养的复杂性具有丰富的信息，但很难清晰地解释；患者之间的代表性意味着需要区分不同群体的不同化合物效应，但也带来了标准化的挑战。

Moccia表示：“将器官体最优地应用于其在各个领域中可能具有价值的所有领域将需要时间和精力。”Stemcell Technologies开发了专门的细胞培养试剂，用于定向分化的多能干细胞（PSCs）衍生的器官体以及来自成体组织驻留上皮干细胞或祖细胞的器官体培养。这些试剂还支持来自三个胚层（外胚层、中胚层和内胚层）组织的器官体模型。

该公司还提供用于肠道、肝脏和胰腺的冷冻小鼠器官体，并计划最终提供更多类型的PSC衍生器官体。该公司的内部CRO“Contract Assay Services”提供了评估化合物毒性的器官体基于服务。

Moccia表示：“器官体是非常多功能的培养系统。我们的工作重点是为科学家提供经过优化和标准化的试剂，以支持新的组织模型，并在现有支持的生物模型上进行量身定制，以适应使用量激增的应用，如药物发现和诊断开发。”她说：“五年前，通过成人组织衍生的肠道器官体以肠道祖细胞为主，缺乏成年肠道上皮的大部分功能。现在我们有了支持这些培养的条件，它们表现出成熟的特征，如典型的微绒毛。我也预计在未来几年内，肝脏器官体的代谢功能将取得显著进展。”

使模型完整

胞外基质（ECM）水凝胶，如Corning Matrigel基质，对于器官体在体外形成至关重要。“ECM帮助细胞定向并极化，使其更好地重现体内环境，” Corning Life Sciences的高级应用科学家Hilary Sherman表示。“实际上，Matrigel基质是一种广泛使用的ECM，我们最近增加了一个生产线以满足需求。”

如今，有许多不同类型的Matrigel基质可供选择。例如，用于器官体培养的Matrigel Matrix包含为器官体优化的基质特性。每一批次都经过刚度、形成凸起体的能力等方面的测试，以确保产品特别适用于器官体的生长。

Matrigel基质在冷藏时是粘稠的液体。当温度升高时，它变成一种凝胶，可用于提供支架或包埋细胞。温度控制可能是一个挑战，整个过程中的所有元素都必须保持冷藏。在某些情况下，可以通过手动操作来保持冷藏，或者可以使用专门设计的设备来自动化一些步骤。例如，Corning的Matribot生物打印机具有温度控制的打印头，可以用于分配和打印诸如Matrigel基质之类的水凝胶。

△商业化的胞外基质（ECM）水凝胶，Corning Matrigel基质，已经有超过30年的历史。在器官体应用中，它可以帮助细胞定向并极化，使其更好地重现体内环境。当冷藏时，Matrigel基质是一种粘稠的液体。随着温度升高，它变成了一种凝胶，可以用于提供支架或包裹细胞。

另一款产品是Corning Elplasia 12K培养瓶，它具有T-75培养瓶的底部表面，含有12 000个微腔孔，具有超低附着涂层。在播种过程中，细胞沉积到腔体中，根据腔体的几何形状，每个腔体形成一个单一均匀的球体。

还有更多产品正在开发中，例如完全合成的水凝胶Corning Synthegel 3D matrix，用于扩大诱导的PSC球体。Sherman表示：“客户正在进行各种不同和创新的实验方案。我们通过尽可能提供多种产品变体来帮助满足他们的需求。”

器官体研究非常具有挑战性，因为它涉及到复杂的细胞相互作用和组织结构。然而，随着技术的不断进步和各个领域的合作，人工器官培养和器官芯片技术正在取得突破，为疾病研究和药物发现领域带来新的机遇和希望。随着我们对人体生物学的理解不断深入，相信这些技术将为精准医学的实现和医学进步做出重要贡献。

编辑：王洪

排版：李丽