類器官培養(yǎng)與二維細(xì)胞培養(yǎng)及動(dòng)物模型的對(duì)比
動(dòng)物模型是最接近于人類生理，但它們受到成像觀察的可達(dá)性、混雜變量的存在、吞吐量有限、可用性有限以及動(dòng)物和人類生物學(xué)之間差異的限制[1]。
細(xì)胞系的二維培養(yǎng)細(xì)胞存在缺陷。例如，它們通常缺乏維持并界定細(xì)胞位置所必須的細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞-基質(zhì)相互作用，導(dǎo)致無法模擬組織中存在的細(xì)胞功能和信號(hào)通路。當(dāng)在 2D 中培養(yǎng)時(shí)，純化的原代細(xì)胞群也會(huì)失去其表型。
間質(zhì)干細(xì)胞 (MSC) 或腫瘤細(xì)胞的 3D 細(xì)胞聚集培養(yǎng)物盡管缺乏體內(nèi)存在的相關(guān)組織，但是仍表現(xiàn)出衍生功能。 3D 模型通常具有與原生器官相似的結(jié)構(gòu)組織、例如來自多個(gè)胚層的細(xì)胞類型（中胚層和內(nèi)胚層）[2-4]，以及多個(gè)細(xì)胞譜系。這些優(yōu)勢使它們成為一種生理上復(fù)雜的體外模型，可用于研究發(fā)育過程、組織穩(wěn)態(tài)和病理狀況。
與傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)相比，類器官具有許多優(yōu)勢。例如，類器官可以表現(xiàn)出接近生理狀態(tài)的細(xì)胞組成和生理功能，許多類器官可以經(jīng)歷多次增殖并在培養(yǎng)過程中保持基因組的穩(wěn)定性。具有這些特性的模型特別適合用作生物樣本庫和高通量篩選。與動(dòng)物模型相比，類器官模型可以降低實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，并使實(shí)時(shí)成像技術(shù)的應(yīng)用成為可能。動(dòng)物模型很難準(zhǔn)確地模擬人類發(fā)育和疾病研究，但類器官模型可以。
1、類器官培養(yǎng)與二維細(xì)胞培養(yǎng)及動(dòng)物模型的比較
| 2D細(xì)胞培養(yǎng) | 3D 類器官 | 動(dòng)物模型 | |
|---|---|---|---|
| 生理表現(xiàn) | 差 | 半生理 | 生理 |
| 血管與免疫系統(tǒng) | 否 | 否 | 是 |
| 高通量篩選 | 是 | 是 | 否 |
| 可操縱性 | 好 | 一般 | 差 |
| 生物庫 | 是 | 是 | 是，但只在細(xì)胞層面 |
| 基因組編輯 | 是 | 是 | 是，但可能需要再生胚胎干細(xì)胞 |
| 建模器官發(fā)生？ | 差 | 適用于細(xì)胞間通訊、形態(tài)發(fā)生的研究;降低復(fù)雜性 | 是，但往往與復(fù)雜的組織環(huán)境相混淆 |
| 模擬人類發(fā)展和疾病 | 過于簡單，較差 | 是 | 是 |
2、人類初代細(xì)胞與細(xì)胞系的比較
| 人類初代細(xì)胞 | 細(xì)胞系 | |
|---|---|---|
| 培養(yǎng) | 需要特殊的培養(yǎng)基或添加劑(如生長因子) 低血清或無血清的標(biāo)準(zhǔn)化培養(yǎng)條件 每種細(xì)胞類型的培養(yǎng)條件都不同 |
統(tǒng)一條件，標(biāo)準(zhǔn)化培養(yǎng) |
| 處理 | 需要精細(xì)的技能 | 易保存易操作 |
| 損耗 | 高 | 低 |
| 細(xì)胞利用率 | 有限 | 無限 |
| 衰老情況 | 細(xì)胞的自我更新能力有限 | 細(xì)胞可以在更長的時(shí)間內(nèi)生長和分裂 |
| 識(shí)別 | 供體特征確定，細(xì)胞保留原組織特征 | 不確定 |
| 測量結(jié)果重復(fù)性 | 低,存在供體和受體差異 | 高, 類型統(tǒng)一 |
| 生理性 | 需考慮倫理道德 | 不需要考慮倫理問題 |
| 形態(tài) | 顯示健康的細(xì)胞形態(tài) | 缺乏關(guān)鍵形態(tài)特征 |
| 表型 | 根據(jù)細(xì)胞類型和培養(yǎng)條件，在有限的傳代中保持原始表型 | 表型伴隨功能改變 |
| 基因組 | 遺傳穩(wěn)定 | 不穩(wěn)定 |
| 污染情況 | 普遍， 會(huì)發(fā)生支原體感染，內(nèi)毒素感染需檢測，抗生素影響代謝功能 |
普遍 會(huì)與其他細(xì)胞交叉感染 |
| 體內(nèi)相關(guān)性 | 高 | 低 |
| 質(zhì)量 | 表型與驗(yàn)證一致 | 表型需驗(yàn)證 |
參考文獻(xiàn)：
[1] Shanks N, Greek R, Greek J. Are animal models predictive for humans [J]? Philos Ethics Humanit Med. 2009;4:2.
[2] Spence JR, Mayhew CN, et al. (2011) Directed differentiation of human pluripotent stem cells into intestinal tissue in vitro [J]. Nature 470:105–109.
[3] McCracken, KWCatá EM, et al. (2014) Modelling human development and disease in pluripotent stem-cell-derived gastric organoids [J]. Nature 516:400–404.
[4] Wells JM and Spence JR. (2014) How to make an intestine [J]. Development 141:752–760.
