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科研讲座丨体外3D培养技术及其在基础科研领域的应用

更新时间:2024-05-28 16:02:39点击次数:203

朴衡博迈·朴衡科技于5月9日在上海交通大学附属第一人民医院开展了关于“体外3D培养技术及其在基础科研领域的应用”的讲座。本次讲座旨在为医院的医生和基础科研人员提供全新的科研思路,呈现体外3D培养技术的应用对论文整体质量的突破性提升。与会人员尤其对朴衡博迈组装式类器官NAC-Organ技术表现出浓厚的兴趣。


NAC-Organ技术是朴衡博迈开发的全新组装式体外3D培养技术,其核心为基于合成生物学技术设计的NAC-linker分子胶水,利用NAC-linker能够介导来自不同胚层的细胞在三维空间中高效自组装,实现细胞类型、数量和空间分布的精准调控。NAC-Organ技术能够突破干细胞分化能力限制、摆脱对复杂模具的依赖,高效、标准化地建立复杂慢性疾病模型、免疫微环境模型及病理微环境模型。目前,朴衡博迈已基于NAC-Organ技术开发出以慢性肝病为特色的常见慢病、多种肿瘤、重要生理器官及多器官复合模型的建模技术,打造了图形分析、免疫组化、分子生物学、病理学、AI预测等全方位检测平台及多维度的评价体系,助力小分子、大分子、细胞药物、核酸药物等多种类型的药物研发。


目前,朴衡团队基于NAC-Organ 技术,已成功开发出多种疾病模型,涵盖 NASH 模型、肝纤维化模型、肺纤维化模型等。此外,团队还具备构建肝癌、胰腺癌、乳腺癌等类器官模型的能力,为疾病研究和药物开发提供了有力支持(图1)。

图1  部分产品列表

NAC-Organ 技术有助于深入探究疾病发生发展的机制,为揭示疾病的本质提供了有力的工具。在课题开展的过程中,研究人员在动物模型和人慢性疾病模型的标本中发现,在纤维化的进程中,TrkB的表达是逐渐下降的。为了进一步验证TrkB在HSC细胞中的功能,研究者采用了基于NAC-Organ技术构建的体外肝纤维化3D模型,在模型中证实在细胞中过表达TrkB能抑制肝星状细胞的激活和增殖,达到缓解纤维化的目的。该结果也在动物体内模型中得到了验证[1]。

3D NAC-Organ肝纤维化模型证实TrkB可以有效抑制肝星状细胞(红色)的增殖

在另外一项研究中,研究者采用朴衡科技的NAC-Organ 3D培养技术,将衰老肝星状细胞与正常原代肝细胞组装成3D微器官。2周后,与对照组相比,衰老组的甲胎蛋白(AFP)、β-catenin 和Gli-1水平显著升高。此外,衰老组3D类器官的上皮标志特征(如E-cadherin的表达)明显下降。这些发现进一步证明了衰老肝星状细胞分泌蛋白的改变有利于肝细胞恶性转化[2]。

衰老星状细胞与原代肝细胞形成3D微球及前者对肝细胞特性的影响

利用NAC-organ技术构建出了3D实体瘤微球(NAC-Solid Tumor),无需基质胶支撑,能够与免疫细胞进行长期共培养。可有效模拟肿瘤细胞与免疫细胞之间的交互行为,使免疫细胞能够主动侵入肿瘤模型,从而精确地再现了肿瘤免疫微环境。在与『鲲石生物』的战略合作研究中,以朴衡科技提供的组装式3D实体瘤微球体模型(NAC-Solid Tumor)为技术平台,评估了鲲石生物的CAR-M在实体瘤中的靶向募集、杀伤和浸润能力,为CAR-M的新靶点筛选和药效学评价提供了有效的高通量验证平台[3]。

CAR-M细胞对3D肿瘤微球的靶向、浸润能力评估

NAC-Organ 技术为高通量药物筛选提供了理想的平台,能够快速、高效地评估大量药物的效果,大大提高了药物研发的效率[4]。

基于AI+BT模式进行高通量筛选


NAC-Organ 技术的应用,无疑为医学研究和药物开发领域带来了新的机遇和突破,将为人类健康事业做出更大的贡献。

问答环节

问:肝纤维化模型有哪几种细胞构成的?是用的细胞系么?

答:我们的肝纤维化模型有四种细胞组成,分别是:肝实质细胞,肝窦内皮细胞,Kupffer细胞和肝星状细胞,我们一般用的都是人的原代细胞,如果是小鼠中提的原代细胞我们是将肝实质和非实质混合后建模。


问:肝脏模型中细胞的比例是怎么确定的?

答:这个比例是根据对公共数据库的分析,进而得到了肝脏中各种类型细胞的比例。


问:基于NAC-Organ技术构建的NASH模型在体外最长可以存活多少天?NASH的药物治疗是一个漫长的过程,在你们的模型上能模拟这种漫长的治疗作用吗?

答:我们的肝脏模型(NAC-Liver)最长可以在体外维持60天,目前接到的项目整个周期一般在15天左右。


问:你们的这个NAC-Linker材料是怎么实现细胞的聚集的,为什么他有Linker A和Linker B两种?

答:NAC-Linker 是基于 DNA 折纸技术设计的核酸纳米材料,它是通过 DNA 碱基配对的原理来将细胞聚集到一起的。而A和B是该材料的两个部分,它们的配对也是A和B进行配对。


问:如果应用NAC-Organ技术把血管细胞加进去能实现血管结构么?细胞的分布是否可以模拟人体环境?

:阶段体外 3D 模型的血管化在行业中仍是有待突破的难题。完全模拟人体环境是不现实的,我们现在正在通过研发去一步一步模拟。目前可以做到把带血管的NAC-Organ移植到体内,是能形成血管的。


问:你们的肝纤维化模型是怎么诱导的,要是直接在体外将肝星状细胞激活再组装可能和我们在2D上差不多?你们还有其他方法吗?

答:在 NAC-Liver 的基础上,我们会使用特殊优化的造模培养基进行诱导。当然,我们也可以先对肝星状细胞进行激活,然后再组装成模型。


问:如果把实质细胞和间质细胞组装在一起经过一定时间是否可以产生细胞外基质?能不能建立真正的细胞连接?

答:我们对NAC-Organ进行ZO-1 IF和电镜,这两个数据都表明我们的模型内已经形成了细胞连接。


问:是否基于NAC-Organ技术构建过骨组织模型,能否用骨髓瘤间充质干细胞构建微球?

答:我们构建过MSC软骨模型,骨模型更简单。


问:应用NAC-Organ技术将患者来源的肿瘤组织消化建模后,模型中有哪些细胞?免疫细胞在体外培养很容易死,NAC-Organ肿瘤模型中的免疫细胞会不会死掉了?有做过鉴定么?

答:我们是将组织消化下来的细胞悬液直接混匀后进行建模的,所以 NAC-Organ 肿瘤模型中的细胞类型和组织中的是一致的。组织中有哪些类型的细胞,我们的模型中就有哪些类型的细胞。我们是通过检测模型中免疫细胞的Marker来鉴定免疫细胞的存在的。在NAC-Organ 肿瘤模型中,免疫细胞通过与肿瘤细胞相互作用,肿瘤细胞分泌的因子可以维持免疫细胞的存活。

参考文献

[1]Song, Yu et al. “Tyrosine kinase receptor B attenuates liver fibrosis by inhibiting TGF-β/SMAD signaling.” Hepatology vol. 78,5 (2023): 1433-1447. doi:10.1097/HEP.0000000000000319.


[2]Zhou, Yuan et al. “Secretome of senescent hepatic stellate cells favors malignant transformation from nonalcoholic steatohepatitis-fibrotic progression to hepatocellular carcinoma.” Theranostics vol. 13,13 4430-4448. 6 Aug. 2023, doi:10.7150/thno.85369.


[3]Liu J, He X, Zhu Q, et al. DNA origami assembled spheroid for evaluating cytotoxicity and infiltration of chimeric antigen receptor macrophage (CAR-M)[J]. bioRxiv, 2023: 2023.12. 03.569750.


[4]Hao Pei, Jiayi Wei, Yueyang Sun et al. Designer Cellular Spheroids with DNA Origami for Drug Screening, 2023.12, Research Square [https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-3555194/v1]


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