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类器官

生物研究和疾病建模可概括真实组织的复杂性。

什么是类器官?

类器官是源于干细胞的三维 (3D) 多细胞微小组织,旨在贴切模拟人体器官(如肺、肝脏或脑)的复杂结构和功能。类器官通常包含细胞的共培养物并显示出高度的自组装性,因此与传统的二维 (2D) 细胞培养物相比,可以更好地显示复杂的体内细胞应答以及相互作用。

有三种不同的定义可用于区分类器官:

  • 类器官是一种包含多种细胞类型的 3D 生物微小组织
  • 类器官可表示组织的复杂性、组成和结构
  • 类器官至少在某些方面与组织的功能类似

类器官的重要性和优势

类器官在癌症研究神经生物学干细胞研究和药物发现领域变得越来越重要,因为它们可以增强人体组织建模。类器官源于干细胞,并可扩展为多种组织类型,包括肝脏、肺、脑、肾脏、胃和肠。由于这些 3D 微小组织能够模拟体内器官,因此在人类发展和疾病机制方面能为研究人员提供更多见解。例如,研究人员可使用突变细胞发展类器官,从而了解为何特定基因突变与某些遗传疾病相关。类器官也能促进传染病和宿主-病原体相互作用的研究。最终,使用患者源性类器官进行药物筛选和毒性评估的能力使研究人员能够在个性化医疗方面取得进一步的进展。

类器官研究的一般工作流程

由于类器官及其他 3D 细胞系统变得日益复杂,因此需要使用更精密的 3D 成像和分析技术来准确有效地描述这些生物学检测。如今,研究人员通常使用自动化共聚焦成像系统 3D 成像分析软件来帮助简化他们的工作流程并获得最佳结果。

类器官工作流程说明

第 1 步)2D 预培养

类器官源于原代细胞(即肠、肺或肾脏细胞)或诱导多能干细胞。干细胞能够分化并自组装成各种组织特异性类器官。

第 2 步)发展 3D 类器官

通常情况下,在室温下预先混合细胞与基质胶,并将液滴加入 24 孔板中。然后将板放入孵育器中,以形成一个固体液滴圆顶。然后加入培养基孵育 7 天或更长时间,以促进细胞生长和分化为特定组织(脑、肠、肺等)。培养基包括细胞外基质 (ECM)、蛋白和不同的生长因子,并因正在发展的组织类型而不同。

第 3 步)类器官培养

类器官培养是一个漫长的过程,可能包括不同的步骤和使用不同的培养基。在此过程中,需要监测细胞表型(聚合酶链式反应 [PCR]、成像),细胞表型通常用于了解发育生物学和组织。

第 4 步)监测和读数

在进行实验之前,需要监测类器官并描述其特征,以确保其具有合适的组织结构和分化。高内涵成像允许监测并观察类器官的生长和分化情况,对结构进行 3D 识别,对类器官结构、细胞形态和活性进行复杂的分析,以及表示不同的细胞标记物。

第 5 步)共聚焦成像和 3D 分析

类器官的共聚焦成像和 3D 分析可以观察和定量数量、粒径分布、细胞数量、细胞含量、细胞活性、体积,以及定量细胞增殖和特异性标记物的表达。对类器官的多种定量描述可用于研究疾病表型和化合物影响。

类器官的共聚焦成像和 3D 图像分析

类器官结构为疾病建模和化合物影响评估提供了一个非常有用的工具。对于改善类器官表型变化的定量评估以及增加实验和检测中的通量而言,类器官的自动成像和分析是非常重要的。

 

类器官的共聚焦成像和 3D 图像分析

 

共聚焦成像,如带有高性能激光和水浸物镜的 ImageXpress® Confocal HT.ai智能化共聚焦高内涵成像分析系统,对于捕获 3D 生物检测分析的复杂性尤其有用。与典型细胞球具有固体的外观和有限的透光能力不同,3D 类器官具有中空外观,内部有腔室或空洞,因此更容易被光线穿过,从而允许对嵌入基质胶的多种微小组织进行“成像”。

气道类器官 CME 分析

3D 类器官模型成像和分析。 在此短视频中,Andy Bashford(成像应用科学家)展示了 3D 气道类器官模型的一个绝佳示例,以及充分利用这一类型进行检测的一些有趣方法。

当软件在 3D 空间中连接和重构来自多个平面的对象时,高内涵分析工具(如 MetaXpressIN Carta 成像分析软件)能够查找和表征多个对象/类器官,无论它们是 2D 格式(单个平面或最大投影图像)还是 3D 格式。可以描述类器官的直径、体积、形状、特异性标记物或与其他对象之间的距离。

此外,可以确定和测定每个类器官中的单个细胞、细胞核或细胞器。可以对活细胞和死细胞或有特异性标记物的细胞进行计数,同时还能确定各个对象的体积及它们之间的距离。可以计算每个类器官的数值,或计算每个孔的平均数值。

肺类器官细胞图像库

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类器官的资源

视频和网络研讨会

21 世纪的疾病建模:使用 3D 成像的自动类器官检测

适用于药物发现和疾病建模的高通量、类器官源性器官芯片系统

使用高内涵成像开发高通量器官芯片组织模型用于药物发现

使用高通量芯片器官 (Organ-on-a-Chip) 平台的生理学相关组织模型

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