營養過剩表現為代謝譜的變化和胰島素敏感度的損傷。早期以靜態培養方式為基礎的體外研究只能提供單個細胞中單分子途徑的大量信息,儘管已經在局部細胞水平上對穩態、炎症和損傷的信號傳導機制進行了充分的研究,但不能用於研究單個細胞或組織的變化信號是如何傳達給身體的其他部位,不同組織之間的cross-talk如何決定全身代謝水平。
以QV500流動細胞培養為基礎建立的三維脂肪組織+內皮細胞+肝細胞(AT+EC+HEP)流動培養法通過培養基的流動經串聯培養室連接起來,以模擬血液連接身體中的不同組織或器官。
此流動培養模型通過為細胞及時補充營養物質、增加供氧量,並且還能為細胞提供由培養基的流動和細胞的crosstalk產生的間質樣剪切應力來維持高的細胞活力,在體外系統地重建內源代謝,是研究不同位置的許多關鍵器官的具體功能和如何通過器官之間的相互作用來維持全身能量平衡的有力工具。(Iori, E., et al. Glucose and Fatty Acid Metabolism in a 3 Tissue In-Vitro Model Challenged with Normo- and Hyperglycaemia. PLoS ONE. 2012; 7: e34704; Vozzi, F., et al. A flexible bioreactor system for constructing in vitro tissue and organ models. Biotechnol Bioeng. 2011; 108: 2129–2140)
圖 1 三維脂肪組織+內皮細胞+肝細胞(AT+EC+HEP)流動培養法的示意圖。Quasi Vivo 生物反應器 (QV500) 培養肝細胞和脂肪組織用低剪切的培養室,而用於內皮細胞的層流室(LFC)採用的是高剪切。
圖2. 內皮細胞培養用的高剪切層流室(LFC)(A) LFC設計圖。(B)組裝入流動培養反應器中的LFC, 本圖中採用的是Quasi Vivo流動培養系統的原型機(Vozzi, 2011)。
圖3. 目前商品化的QV500流動培養系統操作更簡單,使用更方便。適合低通量的實驗。
圖 4. 流動培養的三維-脂肪組織+內皮細胞+肝細胞(AT+EC+HEP)能更好地維持代謝物的穩態平衡。與二維-脂肪組織+內皮細胞(AT+EC)相比,流動培養的三維-脂肪組織+內皮細胞+肝細胞(AT+EC+HEP)的葡萄糖,甘油和游離脂肪酸的水平在48 h內沒有變化,而白蛋白的合成以及乳酸和L-丙氨酸的釋放有所增加。GLU(葡萄糖),GLY(甘油),LAC(乳酸鹽),ALA(L-丙氨酸),E-SEL(E-選擇素)FFA(游離脂肪酸)。
圖 5 Quasi Vivo流動培養系統可以輕鬆取出舊培養基進行分析或補充新的培養基,在不同條件下進行長期實驗而不會干擾細胞。適合同一細胞樣品的多時間點連續取樣。
圖6.流動培養的三維-脂肪組織+內皮細胞+肝細胞(AT+EC+HEP)模型能充分揭示葡萄糖過量和胰島素不足導致的體外模型的總體平衡或體內穩態失衡,如何誘導一般的和特定的內皮應激的。FS(飢餓,培養基中含5.5 mM葡萄糖)PARS(血糖穩定狀態,培養基中含5.5 mM葡萄糖和65 pM胰島素)D1(I型糖尿病模型,培養基中含20 mM葡萄糖)D2(II型糖尿病模型,培養基中含20 mM葡萄糖和65 pM胰島素)。
總結:為模擬肝、脂肪組織和內皮在機體內的不同佔比,流動培養48 h後肝細胞、脂肪細胞和內皮細胞終濃度應為10:2:1。流動培養時,肝細胞採用含有3 D支架的培養室,內皮細胞採用層流室。培養基的流速為250 mL/min。
Quasi Vivo流動培養系統,作為英國Kirkstall公司核心產品,10年來已在全球70+實驗室使用,成功用於包括呼吸系統(研究熱點)、心血管、肝臟、腎臟、腸道、血腦屏障和腦組織類器官等各類細胞模型中。