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    選擇合適的細胞模型,你的疾病研究和藥物篩選就成功了一半

    「眾里尋他千百度」,用來(lái)形容藥物篩選,再合適不過(guò)。百余年前,細胞作為模型系統被用于藥物篩選和疾病研究,讓這一繁雜、困難的工作逐步邁向「柳暗花明」,幫助研究人員篩選出了不少更為安全、有效的藥物。今天,就讓我們一起走近幾種代表性的細胞模型。

    原代細胞

    原代細胞是通過(guò)酶解或物理方法從活體組織(例如活檢材料)或者血液中直接分離獲取,并在體外培養的細胞。由于原代細胞經(jīng)歷極少的群體倍增,保留了其原始組織的表型和基因型特征,因此比連續(腫瘤或人工永生化的)細胞系更能代表其來(lái)源組織的主要功能成分。

    盡管優(yōu)點(diǎn)眾多,但不可否認的是,原代細胞的分離可能費時(shí)、費力,而且每種細胞類(lèi)型都有其獨特的營(yíng)養需求。同時(shí),細胞產(chǎn)量在培養過(guò)程中還可能發(fā)生變化,隨著(zhù)時(shí)間的推移,細胞在培養和衰老的過(guò)程中會(huì )變得不易擴增。

    人體的原代細胞可用于確定從動(dòng)物模型外推所得人類(lèi)數據的準確性,人肝細胞便是一項已在體外藥物毒理學(xué)領(lǐng)域廣泛使用的原代細胞實(shí)例。

    圖 1  在原代肝細胞中進(jìn)行藥物/化合物的吸收、分配、代謝、排除以及毒性(ADME/TOX)的研究,對于評估藥物安全及藥代動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。

    盡管原代肝細胞在毒理學(xué)研究中的價(jià)值已經(jīng)得到了廣泛的認可,但由于供體不足、成本較高、不同細胞來(lái)源間較大的遺傳差異、肝細胞在體外的增殖能力有限,以及原代細胞無(wú)法避免的缺點(diǎn)(壽命短、體內功能的迅速喪失),限制了原代細胞在毒理學(xué)研究中的應用。

    在這種情況下,細胞系應運而生。

    細胞系

    細胞系指的是原代細胞培養物經(jīng)首次傳代成功后所繁殖的細胞群體,在其存活期間,具有最高生長(cháng)能力的細胞將占據主導地位,導致細胞群體在基因型和表型上可以達到一定程度的均一性,故而可以用于解決原代細胞培養中壽命短和擴增受限的問(wèn)題。

    相比于原代培養的細胞,細胞系更為均一和標準化,在藥物篩選和毒理學(xué)研究中具有重要作用,舉個(gè)例子:

    HepG2 細胞系(源自肝癌組織)是正常肝細胞的有效替代物,HepG2 細胞系顯示出與天然肝細胞相似的形態(tài)和功能特性,可以合成肝細胞相關(guān)的血清蛋白(清蛋白、α2-巨球蛋白、絲氨酸蛋白酶抑制劑 A1、α-抗胰蛋白酶,轉鐵蛋白和血纖維蛋白溶酶原等)。

    圖 2  常用細胞系示意圖

    細胞系可以分為有限細胞系和無(wú)限細胞系,有限細胞系壽命有限,在衰老之前可傳代 20-80 次;無(wú)限細胞系則具有無(wú)限繁殖的能力,即永生化。源自宮頸癌細胞的 HeLa 細胞系是最著(zhù)名的細胞系,也是醫學(xué)研究中的重要工具。

    同樣的,細胞系的缺點(diǎn)也很明顯:

    1. 容易發(fā)生自然或誘導突變,在經(jīng)歷非常多的傳代后,細胞系可能會(huì )發(fā)生一些基因型乃至表型的改變;

    2. 細胞污染,全世界使用的細胞系中有約 15–20% 被錯誤識別或被其他類(lèi)型的細胞污染。

    盡管如此,細胞系作為是一種簡(jiǎn)單而有效的工具,仍是學(xué)術(shù)領(lǐng)域和制藥行業(yè)研究的主要手段,不得不說(shuō),永生癌細胞系是研究癌癥生物學(xué)和測試抗癌療法的寶貴模型。

    干細胞

    近年來(lái),在生物制藥領(lǐng)域,研究的思維方式逐漸從基于原代和細胞系的系統轉向更強大、更現實(shí)和更具個(gè)性化的干細胞系統。

    干細胞具有無(wú)限的增殖能力和產(chǎn)生各種類(lèi)型細胞的可塑性,相比于原代細胞和細胞系,其在發(fā)育生物學(xué)、疾病建模和細胞治療領(lǐng)域具有巨大的潛力。

    根據不同的分化潛能,干細胞可分為全能干細胞、多能干細胞、單能干細胞;根據發(fā)生學(xué)來(lái)源進(jìn)行分類(lèi),干細胞又可以分為成體干細胞以及胚胎干細胞。

    成體干細胞

    成體干細胞,是指存在于一種已經(jīng)分化組織中的未分化細胞,這種細胞能夠自我更新并且能夠特化形成組成該類(lèi)型組織的細胞。

    骨髓間充質(zhì)干細胞(BM-MSCs)以及造血干細胞(HSCs)便是是從成人組織中分離出來(lái)的,具有自我更新的能力的成體干細胞,這些多能成體干細胞被廣泛用作預測藥物毒性的體外細胞模型。

    Bio-Techne 可提供 BM-MSCs 及 HSCs 分離、鑒定、培養、誘導分化的全套解決方案,以 MSCs 的研究為例:

    胚胎和誘導性多能干細胞

    胚胎干細胞(ESCs)是指由胚胎內細胞團或原始生殖細胞經(jīng)體外抑制培養而篩選出的細胞。1998 年,研究人員從胚泡階段的內細胞團中分離出了第一個(gè)人胚胎干細胞系。2007 年,成人體細胞被重新編程為多能性干細胞,被稱(chēng)為人類(lèi)誘導多能干細胞(iPSCs)。

    人類(lèi)胚胎干細胞和誘導多能干細胞被統稱(chēng)為多能干細胞,能夠長(cháng)期自我更新,且可以向三個(gè)胚層(內胚層,中胚層和外胚層)的細胞類(lèi)型分化。這些特性使得它們成為評估藥物和有毒化合物的有力工具。

    圖 3  使用 StemXVivo Hepatocyte Differentiation Kit 將 iPSK3 人誘導多能干細胞再分化為肝細胞樣細胞,并將細胞接種于 96 孔板中,使用肝毒性化合物(Carboplatin、Doxorubicin、Crizotinib、Tacrine)進(jìn)行篩選。細胞活力(A)和脂質(zhì)代謝(B)分析表明,肝毒性化合物對 iPSCs 衍生的肝細胞的毒性具有劑量依賴(lài)性。

    在未分化狀態(tài)下,多能干細胞還是發(fā)育毒理學(xué)的重要體外模型。眾所周知,胚胎發(fā)育是一個(gè)特別易受藥物和有毒化合物侵害的時(shí)期,動(dòng)物模型很難概括藥物對人類(lèi)發(fā)育早期事件的影響,而多能干細胞因其特性,為研究胚胎發(fā)生過(guò)程中的藥物毒性提供了一個(gè)獨特且可行的平臺。

    此外,多能干細胞所具有的分化為所有細胞類(lèi)型的能力,對于研究稀少或難以分離的細胞類(lèi)型(例如神經(jīng)元或心肌細胞)來(lái)說(shuō)極具價(jià)值。相關(guān)研究表明,多能干細胞對疾病建模,藥物篩選和毒性測試具有較大的幫助。

    最后,人誘導多能干細胞還可以建立疾病個(gè)性化的細胞模型,以協(xié)助糖尿病、囊性纖維化、帕金森氏病和精神分裂癥等疾病的研究。舉個(gè)例子,從患有家族性自主神經(jīng)功能異常(一種罕見(jiàn)的、致命的遺傳性疾病,可以影響神經(jīng)嵴細胞系的產(chǎn)生)的患者的 iPSCs 衍生出的神經(jīng)嵴前體細胞,再將這些前體細胞用于新藥篩選,有助于設計更安全、更有效的治療方案。

     

    圖 4  采用 iPSCs 衍生的細胞進(jìn)行個(gè)性化毒性檢測

    多能干細胞的鑒定與研究包括培養、分化、驗證等環(huán)節,Bio-Techne 可提供相關(guān)的培養基、試劑盒、細胞因子及小分子化合物:

    當然,不論是原代細胞,還是細胞系,抑或是干細胞,在實(shí)際應用中,都離不開(kāi)具體的細胞培養。細胞培養作為一種在體外模擬體內環(huán)境,使細胞生存、生長(cháng)、繁殖并維持主要結構和功能的一種方法,與研究的成功與否息息相關(guān)。

     

    以上文字和圖片來(lái)源于Bio-techne

     

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