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选择合适的细胞模型,你的疾病研究和药物筛选就成功了一半

「众里寻他千百度」,用来形容药物筛选,再合适不过。百余年前,细胞作为模型系统被用于药物筛选和疾病研究,让这一繁杂、困难的工作逐步迈向「柳暗花明」,帮助研究人员筛选出了不少更为安全、有效的药物。今天,就让我们一起走近几种代表性的细胞模型。

原代细胞

原代细胞是通过酶解或物理方法从活体组织(例如活检材料)或者血液中直接分离获取,并在体外培养的细胞。由于原代细胞经历极少的群体倍增,保留了其原始组织的表型和基因型特征,因此比连续(肿瘤或人工永生化的)细胞系更能代表其来源组织的主要功能成分。

尽管优点众多,但不可否认的是,原代细胞的分离可能费时、费力,而且每种细胞类型都有其独特的营养需求。同时,细胞产量在培养过程中还可能发生变化,随着时间的推移,细胞在培养和衰老的过程中会变得不易扩增。

人体的原代细胞可用于确定从动物模型外推所得人类数据的准确性,人肝细胞便是一项已在体外药物毒理学领域广泛使用的原代细胞实例。

图 1  在原代肝细胞中进行药物/化合物的吸收、分配、代谢、排除以及毒性(ADME/TOX)的研究,对于评估药物安全及药代动力学至关重要。

尽管原代肝细胞在毒理学研究中的价值已经得到了广泛的认可,但由于供体不足、成本较高、不同细胞来源间较大的遗传差异、肝细胞在体外的增殖能力有限,以及原代细胞无法避免的缺点(寿命短、体内功能的迅速丧失),限制了原代细胞在毒理学研究中的应用。

在这种情况下,细胞系应运而生。

细胞系

细胞系指的是原代细胞培养物经首次传代成功后所繁殖的细胞群体,在其存活期间,具有最高生长能力的细胞将占据主导地位,导致细胞群体在基因型和表型上可以达到一定程度的均一性,故而可以用于解决原代细胞培养中寿命短和扩增受限的问题。

相比于原代培养的细胞,细胞系更为均一和标准化,在药物筛选和毒理学研究中具有重要作用,举个例子:

HepG2 细胞系(源自肝癌组织)是正常肝细胞的有效替代物,HepG2 细胞系显示出与天然肝细胞相似的形态和功能特性,可以合成肝细胞相关的血清蛋白(清蛋白、α2-巨球蛋白、丝氨酸蛋白酶抑制剂 A1、α-抗胰蛋白酶,转铁蛋白和血纤维蛋白溶酶原等)。

图 2  常用细胞系示意图

细胞系可以分为有限细胞系和无限细胞系,有限细胞系寿命有限,在衰老之前可传代 20-80 次;无限细胞系则具有无限繁殖的能力,即永生化。源自宫颈癌细胞的 HeLa 细胞系是最著名的细胞系,也是医学研究中的重要工具。

同样的,细胞系的缺点也很明显:

1. 容易发生自然或诱导突变,在经历非常多的传代后,细胞系可能会发生一些基因型乃至表型的改变;

2. 细胞污染,全世界使用的细胞系中有约 15–20% 被错误识别或被其他类型的细胞污染。

尽管如此,细胞系作为是一种简单而有效的工具,仍是学术领域和制药行业研究的主要手段,不得不说,永生癌细胞系是研究癌症生物学和测试抗癌疗法的宝贵模型。

干细胞

近年来,在生物制药领域,研究的思维方式逐渐从基于原代和细胞系的系统转向更强大、更现实和更具个性化的干细胞系统。

干细胞具有无限的增殖能力和产生各种类型细胞的可塑性,相比于原代细胞和细胞系,其在发育生物学、疾病建模和细胞治疗领域具有巨大的潜力。

根据不同的分化潜能,干细胞可分为全能干细胞、多能干细胞、单能干细胞;根据发生学来源进行分类,干细胞又可以分为成体干细胞以及胚胎干细胞。

成体干细胞

成体干细胞,是指存在于一种已经分化组织中的未分化细胞,这种细胞能够自我更新并且能够特化形成组成该类型组织的细胞。

骨髓间充质干细胞(BM-MSCs)以及造血干细胞(HSCs)便是是从成人组织中分离出来的,具有自我更新的能力的成体干细胞,这些多能成体干细胞被广泛用作预测药物毒性的体外细胞模型。

Bio-Techne 可提供 BM-MSCs 及 HSCs 分离、鉴定、培养、诱导分化的全套解决方案,以 MSCs 的研究为例:

胚胎和诱导性多能干细胞

胚胎干细胞(ESCs)是指由胚胎内细胞团或原始生殖细胞经体外抑制培养而筛选出的细胞。1998 年,研究人员从胚泡阶段的内细胞团中分离出了第一个人胚胎干细胞系。2007 年,成人体细胞被重新编程为多能性干细胞,被称为人类诱导多能干细胞(iPSCs)。

人类胚胎干细胞和诱导多能干细胞被统称为多能干细胞,能够长期自我更新,且可以向三个胚层(内胚层,中胚层和外胚层)的细胞类型分化。这些特性使得它们成为评估药物和有毒化合物的有力工具。

图 3  使用 StemXVivo Hepatocyte Differentiation Kit 将 iPSK3 人诱导多能干细胞再分化为肝细胞样细胞,并将细胞接种于 96 孔板中,使用肝毒性化合物(Carboplatin、Doxorubicin、Crizotinib、Tacrine)进行筛选。细胞活力(A)和脂质代谢(B)分析表明,肝毒性化合物对 iPSCs 衍生的肝细胞的毒性具有剂量依赖性。

在未分化状态下,多能干细胞还是发育毒理学的重要体外模型。众所周知,胚胎发育是一个特别易受药物和有毒化合物侵害的时期,动物模型很难概括药物对人类发育早期事件的影响,而多能干细胞因其特性,为研究胚胎发生过程中的药物毒性提供了一个独特且可行的平台。

此外,多能干细胞所具有的分化为所有细胞类型的能力,对于研究稀少或难以分离的细胞类型(例如神经元或心肌细胞)来说极具价值。相关研究表明,多能干细胞对疾病建模,药物筛选和毒性测试具有较大的帮助。

最后,人诱导多能干细胞还可以建立疾病个性化的细胞模型,以协助糖尿病、囊性纤维化、帕金森氏病和精神分裂症等疾病的研究。举个例子,从患有家族性自主神经功能异常(一种罕见的、致命的遗传性疾病,可以影响神经嵴细胞系的产生)的患者的 iPSCs 衍生出的神经嵴前体细胞,再将这些前体细胞用于新药筛选,有助于设计更安全、更有效的治疗方案。

 

图 4  采用 iPSCs 衍生的细胞进行个性化毒性检测

多能干细胞的鉴定与研究包括培养、分化、验证等环节,Bio-Techne 可提供相关的培养基、试剂盒、细胞因子及小分子化合物:

当然,不论是原代细胞,还是细胞系,抑或是干细胞,在实际应用中,都离不开具体的细胞培养。细胞培养作为一种在体外模拟体内环境,使细胞生存、生长、繁殖并维持主要结构和功能的一种方法,与研究的成功与否息息相关。

 

以上文字和图片来源于Bio-techne

 

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