隨著我們進(jìn)入基因治療和個(gè)體化醫(yī)療的復(fù)雜藥物發(fā)現(xiàn)時(shí)代，我們需要做好研究復(fù)雜疾病的準(zhǔn)備，評(píng)估藥物的治療效果，并確定可能對(duì)患者健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)的不良影響。但是目前使用的臨床前研究方法，如動(dòng)物模型或 2D 細(xì)胞模型，其物理和化學(xué)特性無(wú)法代表人體的生理狀況，因此臨床前藥物評(píng)估成功轉(zhuǎn)化為藥物的概率非常低。類器官等 3D 細(xì)胞模型的開發(fā)可能是改善藥物療效和安全性評(píng)估的一個(gè)巨大里程碑。

Oksana Sirenko 博士是 Molecular Devices 的方法開發(fā)高級(jí)經(jīng)理，致力于開發(fā)用于 3D 生物學(xué)的復(fù)雜細(xì)胞模型，以及高內(nèi)涵成像和檢測(cè)自動(dòng)化。

在加入 Molecular Devices 團(tuán)隊(duì)之前，Oksana Sirenko 曾在 Bayer、Fibrogen 和 Bioseek 等多家生物技術(shù)公司就職，開發(fā)高通量細(xì)胞檢測(cè)方法學(xué)。2009 年，她成為 Molecular Devices 的研究科學(xué)家，負(fù)責(zé)神經(jīng)元、心血管系統(tǒng)和肝臟的藥物毒性評(píng)估，開發(fā)和優(yōu)化用于抗癌藥物篩選的干細(xì)胞源性 3D 模型。Oksana 擁有生物化學(xué)/生物物理學(xué)博士學(xué)位，具有超過 15 年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，并撰寫了超過 35 篇科學(xué)論文。

在此摘錄中， Oksana 探討了 3D 細(xì)胞模型的優(yōu)勢(shì)，以及如何克服 3D 細(xì)胞成像的挑戰(zhàn)，如圖像質(zhì)量、高通量、自動(dòng)化培養(yǎng)和分析等。

01  為什么 3D 細(xì)胞模型和 3D 類器官在疾病研究和藥物篩選中如此有用？

當(dāng)前疾病研究和藥物開發(fā)的主要問題是，只有約 3% 的已開發(fā)藥物能夠進(jìn)入臨床。大多數(shù)藥物因缺乏療效或出現(xiàn)不必要的毒性問題而在臨床試驗(yàn)中失敗。這個(gè)時(shí)候亟需更好的檢測(cè)系統(tǒng)和疾病模型來促進(jìn)藥物發(fā)現(xiàn)并更好地預(yù)測(cè)臨床能否成功。

如今，可用于藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的檢測(cè)方法和模型越來越復(fù)雜。3D 模型被公認(rèn)為可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)細(xì)胞模型與組織和器官之間的差距。包括細(xì)胞球、類器官和器官芯片在內(nèi)的 3D 模型可呈現(xiàn)人類的各種細(xì)胞類型，如肝臟、免疫細(xì)胞、心臟細(xì)胞和成纖維細(xì)胞等。此外，它們還可以模擬人體組織的形態(tài)，如 3D 腫瘤生長(zhǎng)、腸類器官隱窩、神經(jīng)管或液體的流動(dòng)。最后，這些模型能夠代表組織的某些功能，從肝臟的代謝活性到心臟類器官的跳動(dòng)，再到腦類器官中神經(jīng)元的電活動(dòng)。這種更高的復(fù)雜性可以讓我們模擬組織中的活動(dòng)過程、細(xì)胞之間的相互作用、對(duì)藥物的反應(yīng)、毒性作用以及藥物滲透到組織中的過程等。

02  為什么 3D 模型的復(fù)雜性給研究人員帶來了障礙/挑戰(zhàn)？

傳統(tǒng)的 2D 細(xì)胞檢測(cè)使用起來更容易，但 3D 細(xì)胞檢測(cè)卻具有更高的可預(yù)測(cè)性，并且能夠生成更具生物學(xué)相關(guān)性的數(shù)據(jù)。雖然大家對(duì) 3D 研究的興趣越來越濃厚，但是檢測(cè)方法能不能得到廣泛采用則受到技術(shù)障礙和檢測(cè)復(fù)雜性的限制。這些也導(dǎo)致成本越來越高，而檢測(cè)通量和可重復(fù)性則進(jìn)一步降低。在這種背景下，新的儀器的開發(fā)和自動(dòng)化流程的開發(fā)將使科學(xué)家能以高通量和高準(zhǔn)確性進(jìn)行 3D 檢測(cè)。

03  您能否概述 3D 類器官培養(yǎng)和分析的典型工作流程？

類器官檢測(cè)的典型工作流程包含多個(gè)步驟，通常比 2D 工作流程步驟長(zhǎng)得多。

3D 類器官可源自原代細(xì)胞，如腸類器官，也可以源自誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 （iPSC），如神經(jīng)類器官或心臟類器官。2D 細(xì)胞預(yù)培養(yǎng)或 iPSC 細(xì)胞擴(kuò)增以后細(xì)胞進(jìn)入分化步驟，分化后的細(xì)胞與基質(zhì)膠混合，接下來的發(fā)育一般是在基質(zhì)膠的圓頂內(nèi)完成，其中還可能有傳代和擴(kuò)增的過程。腸類器官、結(jié)直腸、胰腺和肝臟通常利用這種方式進(jìn)行培養(yǎng)。

也有一些其他種類的類器官不需要基質(zhì)膠，而是在低附著板（例如，心臟類器官）中培養(yǎng)。

類器官的培養(yǎng)需要幾天到幾周的時(shí)間。有些 protocol 甚至需要幾個(gè)月的時(shí)間。這是一個(gè)非常繁瑣的過程，而自動(dòng)化的工作流程將會(huì)給類器官培養(yǎng)帶來極大的好處。

接下來終點(diǎn)檢測(cè)，無(wú)論是藥物處理、病毒傳染性檢測(cè)還是毒性評(píng)估，通常都是以多孔板的形式設(shè)置，以 96 孔板 或 384 孔板為主。

最后，培養(yǎng)好的細(xì)胞用藥物處理并進(jìn)行標(biāo)記完成特定實(shí)驗(yàn)，比如 ATP 檢測(cè)、細(xì)胞死亡檢測(cè)、高內(nèi)涵成像或鈣振蕩等。

04  如何將 3D 細(xì)胞模型的工作流程應(yīng)用于您的研究？

我們專注于開發(fā)適用細(xì)胞培養(yǎng)的自動(dòng)化方案，以及適用于復(fù)雜 3D 模型成像和圖像分析的自動(dòng)化方案。最近，我們開發(fā)并運(yùn)行了一種新的自動(dòng)化篩選方法以尋找更有效的三陰乳腺癌藥物。這種方法首先應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)培養(yǎng)耐藥性疾病模型——患者源性的癌癥類器官，再模擬藥物干預(yù)，最后利用終點(diǎn)檢測(cè)方法來識(shí)別殺死腫瘤細(xì)胞的化合物。我們測(cè)試了一個(gè)化合物庫(kù)，并在其中發(fā)現(xiàn)了幾種比當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)藥物療效更高的候選藥物。

05  類器官培養(yǎng)和分析的工作流程如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化？

我們?cè)?Molecular Devices 創(chuàng)建了一個(gè)自動(dòng)化工作單元，它將多個(gè)儀器整合到一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中，包括  Beckman Biomek 自動(dòng)化移液工作站、LiCONiC 自動(dòng)化培養(yǎng)箱、ImageXpress HT.ai 高內(nèi)涵成像系統(tǒng)、SpectraMax 酶標(biāo)儀、 AquaMax 洗板機(jī)以及 Bionex 自動(dòng)化離心機(jī)。所有組件均由協(xié)作式機(jī)器人 PreciseFlex 400 連接，可在需要的時(shí)間點(diǎn)將板從一臺(tái)儀器移動(dòng)到另一臺(tái)儀器，同時(shí)預(yù)設(shè)軟件確保所有系統(tǒng)元件無(wú)縫協(xié)同工作。每臺(tái)儀器可以針對(duì)不同步驟設(shè)計(jì)多種 protocol，比如給細(xì)胞和類器官接種，調(diào)度程序可在指定時(shí)間調(diào)取實(shí)驗(yàn)方案。

成像方法是類器官研究的另一個(gè)令人興奮的技術(shù)領(lǐng)域。為了對(duì)類器官或器官芯片進(jìn)行成像，我們需要使用先進(jìn)的光學(xué)元件。ImageXpress 高內(nèi)涵成像系統(tǒng)在 3D 樣品成像方面具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

• 強(qiáng)大的激光和共聚焦光路使我們能夠從底部開始，以 5-10 微米步進(jìn)往上拍攝多張圖像，完成 Z 軸堆棧實(shí)驗(yàn)。共聚焦的光路設(shè)計(jì)，使我們能夠去掉非焦面的雜散光，在整個(gè)類器官和基質(zhì)膠中獲得更清晰的圖像。

• 接下來，我們的 MetaXpress 圖像分析軟件可分析每個(gè) Z 軸層面的 2D 圖像，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 3D 維度展示。您可以獲得多樣的測(cè)量數(shù)據(jù)以鑒別類器官、細(xì)胞或亞細(xì)胞器。這些測(cè)量有助于確定細(xì)胞的數(shù)量、強(qiáng)度、體積、面積、距離等，使用戶能夠監(jiān)測(cè)和定量細(xì)胞在形態(tài)學(xué)、含量和活性上的變化。另外我們的軟件還擁有人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)元素，用戶可以訓(xùn)練軟件來識(shí)別目標(biāo)和特征，提供更有效和更有見解的分析。

06  自動(dòng)化如何助力復(fù)雜系統(tǒng)的研究？

自動(dòng)化程度的提高將大大減少人力成本和重復(fù)性工作，比如每天或每?jī)商旖o細(xì)胞換液，持續(xù) 2 個(gè)月。此外還可以提高研究的通量。例如，有了自動(dòng)化，您可以從以前的研究 3 個(gè)細(xì)胞系 5 個(gè)突變提升到測(cè)試 50 個(gè)細(xì)胞系，研究 100 個(gè)突變。

有 AI 機(jī)器學(xué)習(xí)算法加持的高內(nèi)涵成像系統(tǒng)可以觀察和表征類器官和細(xì)胞中的各種變化，提供多個(gè)分析參數(shù)，產(chǎn)出一系列關(guān)于細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、細(xì)胞周期、死亡、凋亡、基因表達(dá)或信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路激活的有價(jià)值的信息。

07  您將在未來的研究中如何再次使用這些系統(tǒng)？

除癌癥研究外，我們還積極開發(fā)其他工作流程，包括但不限于腸類器官、心臟類器官和干細(xì)胞工作流程等。

08  未來 3D 類器官分析的自動(dòng)化將如何發(fā)展？

我們相信，隨著生物學(xué)的發(fā)展和檢測(cè)復(fù)雜性的增加，自動(dòng)化對(duì)于更好地了解疾病機(jī)制、加速藥物發(fā)現(xiàn)并最終找到更好的疾病治療方法將變得越來越重要。

通過開發(fā)新的、更先進(jìn)的技術(shù)和儀器，相信我們能為生命科學(xué)的發(fā)展做出進(jìn)一步的貢獻(xiàn)。

了解 3D 類器官背后的基本原理以及當(dāng)前的瓶頸對(duì)于成功開發(fā)和利用這些先進(jìn)的藥物發(fā)現(xiàn)模型至關(guān)重要。

文章轉(zhuǎn)載來源：美谷分子儀器