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2022．02
如何利用3D細胞培養來研究病毒
2D細胞培養已經被廣泛用於研究細胞和疾病機制，然而研究指出與2D培養系統相比，3D培養細胞的方式能反映組織中的微環境狀態。因此透過3D培養的方式，細胞的狀態與反應情況更接近於活體內，因此能提供更多的生理資訊 [1]。
在過去的十年研究中，3D培養已被用作藥物篩選平台、腫瘤細胞生物學、幹細胞研究、組織工程研究和其他細胞領域模型的研究。而相較於昂貴的模式動物實驗，3D培養能在體外試驗模式中觀察細胞在活體環境的反應，故可以在便宜、省時、簡單操作的情況下進行研究，因此3D培養模式可以成為一種潛在的體外模型 [2]。
不同的3D培養系統
建立3D細胞培養的方法相當多元，大致可分為三種類型：無支架(scaffold-free)、支架(scaffold-base)和混合體(hybrid)。
在scaffold-free的系統中，細胞可自行聚集(cell aggregate)，如在器官形成(organogenesis)的過程表現，包含spheroids與organoids的形式。Scaffold-base的系統，可模仿細胞外基質(extracellular matrix)的結構，使細胞在支架中生長，如利用scaffold與3D列印方式進行培養。混合體可以使用基質(matrix)或支架來支援scaffold-free系統的類型，如器官型培養模式(organotypic raft culture)可以觀察角質細胞分化狀態，透過與上皮細胞、纖維細胞與膠原蛋白的共培養；也可透過微流體晶片(organ-on-a-chip)來觀察人體的血液循環模式。
SARS-CoV-2在3D培養的應用
2020年新冠肺炎的爆發，改變了人類的生活型態，新冠病毒具有高度傳染力與高死亡率，因此能夠快速、可靠地了解病毒感染機制是至關重要的議題。而3D細胞培養所創造的微環境，為研究病毒與宿主細胞的相互作用、病毒感染週期、病毒致癌表現、新型病毒藥物與研究病原體的行為，提供了良好的模型。3D細胞培養模型提供了活體試驗之外的選擇，因為活體試驗相當昂貴且耗時，也加速了對抗新出現的病毒進行藥物與疫苗開發的研究 [3]。用在研究SARS-CoV-2病毒的3D細胞培養，而最廣泛使用的模式細胞是幹細胞。幹細胞所建立的3D器官模型包含肺部或呼吸道模型；或者是其他的器官組織，如：腸道、心臟和大腦。
Mulay A團隊，透過3D培養建立呼吸道之近端與遠端(proximal-distal axis)的體外模式，研究人類近端呼吸道內的纖毛細胞(ciliated cells)和杯狀細胞(goblet cells) 遭受SARS-CoV-2的感染過程，發現其感染過程非常迅速。而在遠端呼吸道的模型中發現，被活化的HAT2細胞誘發了一系列促發炎反應的物質，如IFNB1和IFN-3，進而評估數種藥物作為抗病毒治療，如IFNB1、羥氯奎寧(hydroxychloroquine)和瑞德西韋(remdesivir)，發現remdesivir抑制病毒複製的速度比另外兩種藥物來的有效 [4]。
Ramos da Silva S.與他的團隊，也利用3D模型探討免疫細胞(immune cells)在肺泡屏障(alveolar barrier)中扮演著重要的角色，由於病毒感染導致IL-6和IL-8的大量表達，因而影響肺泡的保護機制，此結果呼應臨床現象。因COVID-19嚴重感染而死後的患者，通常有嚴重的組織損傷、血栓栓塞和過度發炎的表現 [5]。
肺部之外的感染模型，則用來瞭解SARS-CoV-2病毒對各種組織和器官的損害。Buzhdygan T.P.團隊研究通過3D培養模型，發現SARS-CoV-2病毒能誘導周圍組織和中樞神經系統(CNS)的微血栓(mircoclot)的表現 [6]。而Juan A Pérez-Bermejo團隊利用cathepsin-L蛋白酶，破壞心肌細胞代謝物的運輸(metabolite transport)、吸收、荷爾蒙分泌阻礙和影響胃腸組織的免疫防禦能力，了解COVID-19透過內溶酶體(endolysosomal)來感染心肌細胞的途徑 [7]。
TOOLS 3D culture plus kit
TOOLS新推出TOOLS 3D culture plus kit，採用scaffold的原理技術形式，能良好地模擬cell-ECM和cell-cell之間的相互作用，因此透過這樣的培養系統可以說明 ECM和緊密細胞(tight junction cells)化合物治療與細胞毒性。
TOOLS 3D culture試劑，不但操作簡單、花費時間短，也可以自行調整凝膠密度與張力，因應不同的細胞與其特性。TOOLS同步推出膠原蛋白 type 1之系列產品，滿足以膠原蛋白建立細胞間質微環境的應用需求，其品質為業界最高：高純度、高品質和超低含量內毒素的；並具備多種狀態的產品：液態、凍乾粉末等，取用方便、減低污染風險。
References
1. Kayla Duval et al. Modeling Physiological Events in 2D vs. 3D Cell Culture Physiology. 2017, 32:4, 266-277.
2. Nipha Chaicharoenaudomrung et al. Three-dimensional cell culture systems as an in vitro platform for cancer and stem cell modeling. World J Stem Cells. 2019 Dec 26; 11(12): 1065–1083.
3. Guadalupe Tonantzin de Dios-Figueroa, Janette del Rocío Aguilera-Marquez, Tanya A. Camacho-Villegas,and Pavel H. Lugo-Fabres. 3D Cell Culture Models in COVID-19 Times: A Review of 3D 4 4. Technologies to Understand and Accelerate Therapeutic Drug Discovery. Biomedicines. 2021 Jun; 9(6): 602.
4. Mulay A., Konda B., Garcia G., Yao C., Beil S., Sen C., Purkayastha A., Kolls J.K., Pociask D.A., Pessina P., et al. SARS-CoV-2 infection of primary human lung epithelium for COVID-19 modeling and drug discovery. Cell Rep. 2021;35: 109055.
5. Ramos da Silva S. et al. Broad Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 Cell Tropism and Immunopathology in Lung Tissues From Fatal Coronavirus Disease 2019. J Infect Dis. 2021 4; 223(11):1842-1854.
6. Buzhdygan T.P., DeOre B.J., Baldwin-Leclair A., Bullock T.A., McGary H.M., Khan J.A., Razmpour R., Hale J.F., Galie P.A., Potula R.,et al. The SARS-CoV-2 spike protein alters barrier function in 2D static and 3D microfluidic in-vitro models of the human blood–brain barrier. Neurobiol. Dis. 2020; 146:105131.
7. Juan A Pérez-Bermejo et al. SARS-CoV-2 infection of human iPSC-derived cardiac cells predicts novel cytopathic features in hearts of COVID-19 patients. bioRxiv . 2020, 12;2020.08.25.265561.
