讲座教授最新文章解析3D细胞培养技术

　　

生物通报道：来自俄亥俄州立大学William G. Lowrie化学与生物膜工程研究院的研究人员在三维细胞培养技术方面又获得了新成果，他们提出了一种新的培养细胞接种的方式，这将有助于3D细胞培养技术在实践中的更多应用，也有助于3D细胞培养技术往高通量筛选方面发展，这一研究成果公布在《Biotechnol Prog》杂志上。

领导这一研究的是华人科学家杨尚天教授，其长期从事生物工程和生物加工的研究和开发，特别是新型生物反应器的研发、生物催化、发酵、细胞培养、组织工程、生物芯片、生物传感器等方面具有很深的造诣。2007年被聘为华南理工大学讲座教授。

传统细胞培养技术在模拟细胞体内生存环境方面做得还不够。3D细胞培养技术则能在细胞培养过程中，为细胞提供一个更加接近体内生存条件的微环境。这种技术在基础科学研究和制药研究中极大地提高了细胞实验的准确性，而且随着培养原料的数量和复杂度的增加，3D细胞培养技术的应用也会随之增加。

杨博士在细胞培养方面获得了许多新成果，比如06年其研究组就开发了一种组织生长设备（tissue-growing device），能够用于培养成人干细胞，并且能够使研究人员对培养过程中的每个胚胎干细胞进行紧密跟踪。新型bioreactor有两个格室（chamber），一个格室内包含可以支持干细胞生长的高聚物螺纹，一个格室内含有液态培养基。这种液态培养基能够向干细胞传递炎症因子，维持干细胞未分化状态。

实验过程中，研究人员分别在flask中（传统细胞培养方法）和bioreactor中的标准高聚物螺纹（strands of polymer threads，生物通编者译）上培养小鼠干细胞。用flask和用bioreactor培养干细胞的不同之处在于：细胞在bioreactor中能够向三维空间生长，而在flask的底部平面上只能向二维平面上生长。

在这一基础上，杨博士发展了3D细胞培养技术，并利用这一技术培养包括人胚胎干细胞和结肠癌细胞在内的许多不同类型的人源细胞。但是细胞接种仍是3D细胞培养技术中的一个难题，因为利用非织造布用纤维聚乙烯对苯二甲酸酯PET这一材料进行细胞接种是组织工程，细胞培养过程中的困难环节。

在这篇文章中，研究人员提出了一种新型离心接种方法，这种方面利用两种不同的多孔性（93%和88%）可以提高PET材料中细胞的接种效率，其中离心力和离心时间都可以影响接种效率。优化离心速度后，可以达到高至80％-90％的细胞接种效率，而且时间也只是需要不到5分钟的时间。

研究人员发现不同孔材料的接种效率相近，不过疏孔架能最佳缩短接种的时间。并且他们还在结肠癌细胞的培养过程中证明了这一方面的有效性。这种方法有助于3D细胞培养技术往高通量筛选方面发展，也有利于这一技术更有效的用于各个方面。

3D细胞培养技术得到的细胞形态比2D培养的更加精确，并且细胞形态常常对细胞的功能（信号转导等）产生影响。杨博士已经开始通过他的3D细胞培养系统来筛选抗癌药物。但是他也通过比较2D培养和3D培养的细胞对已知的抗结肠癌药物——5-氟尿嘧啶——的反应来检验他的3D培养系统的有效性。他认为，总的来讲，3D培养的细胞对药物的抗性更强，其部分原因在于细胞周期行为的差异，差异的细胞标记表达等等。从这些实验中，他推断：一般来讲，3D培养细胞的药物反应更加接近体内的情况，因此，在此基础上的药物筛选也更加可靠。

除此之外，来自伦斯勒理工学院的研究人员也利用这一技术作为先导优化的一种筛选工具，并将其用来对培养皿上代表人类不同器官的细胞进行药物潜在毒性的检测。他们在一种凝胶状的，生物兼容的并且使用方便的藻酸盐基质上进行细胞培养。藻酸盐之所以使用方便，就是在于研究者可以通过添加钙或者钡来调节它的凝胶化。而且，藻酸盐的使用使Dordick向培养基中添加生长因子成为可能；比如，在他的小组开始培养干细胞的时候，这个特征就显得很重要了。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Centrifugal seeding of mammalian cells in nonwoven fibrous matrices.
Ng R, Gurm JS, Yang ST.

William G. Lowrie Dept. of Chemical and Biomolecular Engineering, The Ohio State University, Columbus, OH 43210, USA.

Three-dimensional (3D) cell cultures have many advantages over two-dimensional cultures. However, seeding cells in 3D scaffolds such as nonwoven fibrous polyethylene terephthalate (PET) matrices has been a challenge task in tissue engineering and cell culture bioprocessing. In this study, a centrifugal seeding method was investigated to improve the cell seeding efficiency in PET matrices with two different porosities (93% and 88%). Both the centrifugal force and centrifugation time were found to affect the seeding efficiency. With an appropriate centrifugation speed, a high 80-90% cell seeding efficiency was achieved and the time to reach this high seeding efficiency was less than 5 min. The seeding efficiency was similar for matrices with different porosities, although the optimal seeding time was significantly shorter for the low-porosity scaffold. Post seeding cell viability was demonstrated by culturing colon cancer cells seeded in PET matrices for over 5 days. The centrifugal seeding method developed in this work can be used to efficiently and uniformly seed small fibrous scaffolds for applications in 3D cell-based assays for high-throughput screening. (c) 2009 American Institute of Chemical Engineers Biotechnol. Prog., 2010.

作者简介：

杨尚天教授是美国俄亥俄州立大学化学工程与生物分子工程系教授，长期从事生物工程和生物加工的研究和开发，特别是新型生物反应器的研发、生物催化、发酵、细胞培养、组织工程、生物芯片、生物传感器等方面具有很深的造诣。担任5个国际学术刊物的编委或顾问编辑和4个国际著名刊物的审稿人。历任多个国际知名研究院或大学的客座教授。同时担任美国农业部、美国能源部、美国化学协会石油研究基金会、香港研究基金委员会等项目评审专家。现任美国国家健康研究院（NIH）生物工程科技纳米技术研究部顾问团成员。近五年，发表SCI收录论文41篇，EI收录35 篇，出版学术专著14部，承担的科研项目24项，科研研经费达450万美元，获得美国专利2项。曾获美国中部华人学人协会突出贡献奖。2007年，当选美国医学和生物工程院Fellow。