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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

「衆裏尋他千百度」,用來形容藥物篩選,再合適不過。百餘年前,細胞作爲模型系統被用於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爲安全、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,並在體外培養的細胞。由於原代細胞經歷極少的羣體倍增,保留了其原始組織的表型和基因型特徵,因此比連續(腫瘤或人工永生化的)細胞系更能代表其來源組織的主要功能成分。

儘管優點衆多,但不可否認的是,原代細胞的分離可能費時、費力,而且每種細胞類型都有其獨特的營養需求。同時,細胞產量在培養過程中還可能發生變化,隨着時間的推移,細胞在培養和衰老的過程中會變得不易擴增。

人體的原代細胞可用於確定從動物模型外推所得人類數據的準確性,人肝細胞便是一項已在體外藥物毒理學領域廣泛使用的原代細胞實例。

圖 1 在原代肝細胞中進行藥物/化合物的吸收、分配、代謝、排除以及毒性(ADME/TOX)的研究,對於評估藥物安全及藥代動力學至關重要。

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

在這種情況下,細胞系應運而生。

細胞系

細胞係指的是原代細胞培養物經首次傳代成功後所繁殖的細胞羣體,在其存活期間,具有最高生長能力的細胞將佔據主導地位,導致細胞羣體在基因型和表型上可以達到一定程度的均一性,故而可以用於解決原代細胞培養中壽命短和擴增受限的問題。

相比於原代培養的細胞,細胞系更爲均一和標準化,在藥物篩選和毒理學研究中具有重要作用,舉個例子:

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和功能特性,可以合成肝細胞相關的血清蛋白(清蛋白、α2-巨球蛋白、丝氨酸蛋白酶抑制剂 A1、α-抗胰蛋白酶,轉鐵蛋白和血纖維蛋白溶酶原等)。

圖 2  常用细胞系示意图

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

同樣的,細胞系的缺點也很明顯:

1. 容易發生自然或誘導突變,在經歷非常多的傳代後,細胞系可能會發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型的細胞污染。

儘管如此,細胞系作爲是一種簡單而有效的工具,仍是學術領域和製藥行業研究的主要手段,不得不說,永生癌細胞系是研究癌症生物學和測試抗癌療法的寶貴模型。

幹細胞

近年來,在生物製藥領域,研究的思維方式逐漸從基於原代和細胞系的系統轉向更強大、更現實和更具個性化的幹細胞系統。

幹細胞具有無限的增殖能力和產生各種類型細胞的可塑性,相比於原代細胞和細胞系,其在發育生物學、疾病建模和細胞治療領域具有巨大的潛力。

根據不同的分化潛能,幹細胞可分爲全能幹細胞、多能幹細胞、單能幹細胞;根據發生學來源進行分類,幹細胞又可以分爲成體幹細胞以及胚胎幹細胞。

成體幹細胞

成體幹細胞,是指存在於一種已經分化組織中的未分化細胞,這種細胞能夠自我更新並且能夠特化形成組成該類型組織的細胞。

骨髓間充質幹細胞(BM-MSCs)以及造血幹細胞(HSCs)便是是從成人組織中分離出來的,具有自我更新的能力的成體幹細胞,這些多能成體幹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、鑑定、培養、誘導分化的全套解決方案,以 MSCs 的研究爲例:

胚胎和誘導性多能幹細胞

胚胎幹細胞(ESCs)是指由胚胎內細胞團或原始生殖細胞經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人胚胎幹細胞系。2007 年,成人體細胞被重新編程爲多能性幹細胞,被稱爲人類誘導多能幹細胞(iPSCs)。

人類胚胎幹細胞和誘導多能幹細胞被統稱爲多能幹細胞,能夠長期自我更新,且可以向三個胚層(內胚層,中胚層和外胚層)的細胞類型分化。這些特性使得它們成爲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 人誘導多能幹細胞再分化爲肝細胞樣細胞,並將細胞接種於 96 孔板中,使用肝毒性化合物(Carboplatin、Doxorubicin、Crizotinib、Tacrine)進行篩選。細胞活力(A)和脂質代謝(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性。

在未分化狀態下,多能幹細胞還是發育毒理學的重要體外模型。衆所周知,胚胎髮育是一個特別易受藥物和有毒化合物侵害的時期,動物模型很難概括藥物對人類發育早期事件的影響,而多能幹細胞因其特性,爲研究胚胎發生過程中的藥物毒性提供了一個獨特且可行的平臺。

此外,多能幹細胞所具有的分化爲所有細胞類型的能力,對於研究稀少或難以分離的細胞類型(例如神經元或心肌細胞)來說極具價值。相關研究表明,多能幹細胞對疾病建模,藥物篩選和毒性測試具有較大的幫助。

最後,人誘導多能幹細胞還可以建立疾病個性化的細胞模型,以協助糖尿病、囊性纖維化、帕金森氏病和精神分裂症等疾病的研究。舉個例子,從患有家族性自主神經功能異常(一種罕見的、致命的遺傳性疾病,可以影響神經嵴細胞系的產生)的患者的 iPSCs 衍生出的神經嵴前體細胞,再將這些前體細胞用於新藥篩選,有助於設計更安全、更有效的治療方案。

 

圖 4 採用 iPSCs 衍生的細胞進行個性化毒性檢測

多能幹細胞的鑑定與研究包括培養、分化、驗證等環節,Bio-Techne 可提供相關的培養基、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,抑或是幹細胞,在實際應用中,都離不開具體的細胞培養。細胞培養作爲一種在體外模擬體內環境,使細胞生存、生長、繁殖並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。

 

以上文字和圖片來源於Bio-techne

 

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