使用微流控技术在微珠中进行前列腺类器官培养
微流控微珠技术能够生产高度单分散的皮升（picoliter）级液滴，为在受控 3D 环境中培养前列腺类器官提供了一种强大的方法。通过将单细胞封装在水凝胶微珠中，研究人员可以生成标准化、可重复的类器官，使其密切模拟体内环境。
该技术结合了微流控、3D 细胞培养和基因工程，为前列腺癌研究、功能基因组学和高通量筛选开辟了新的可能性。
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什么是前列腺类器官培养？
前列腺类器官培养是一种 3D 细胞培养方法，前列腺细胞在其中自我组织成能够复制腺体组织关键特征的结构。
众所周知，组织和器官是在三维（3D）空间中自我组织的多细胞结构。组织（如腺体组织）内的细胞通过生化和机械信号与邻近细胞和细胞外基质（ECM）相互作用，这些信号维持着生物组织的特异性和体内平衡。
虽然在坚硬表面上进行的传统 2D 培养无法重现体内的细胞行为，但 3D 基质作为细胞培养的载体正变得越来越受欢迎，因为它们能够模拟支持细胞生理功能的复杂环境，从而更好地预测体内反应，进而减少对动物模型的需求。
与无法重现体内细胞行为的传统 2D 培养不同，3D 基质能够模拟支持细胞生理功能的复杂环境。
类器官：
- 维持细胞-细胞和细胞-ECM（细胞外基质）的相互作用
- 重现顶底极性
- 形成含有内腔的腺泡结构
这些特性使得前列腺类器官在研究以下内容时具有高度相关性：
- 前列腺癌的发生和进展
- 组织发育和分化
- 生理学相关模型中的药物反应
与 CEA Tech 的技术研究机构 Leti 合作
将类器官作为前列腺癌研究的模型
类器官是模拟支持细胞生理和病理行为的复杂体内环境的相关模型。例如，3D 上皮类器官再现了腺体组织的许多特征，包括发育出完全分化、且保持顶底极性及中空内腔的腺泡。因此，研究人员一直致力于生产前列腺类器官培养物，以更好地理解前列腺癌（PCa）发生和进展的复杂性。
前列腺类器官培养中有效的基因工程将为器官发生和致癌作用提供新的见解，帮助我们破译上皮分化和极性背后的关键基因网络，并使我们更好地了解它们在癌症等病理状态下可能发生的变化。
为什么使用微珠进行类器官培养？
微流控系统能够将单细胞封装到均匀的基质胶（Matrigel）微珠中，使每个微珠变成一个独立的微反应器。
关键优势：
- 高单分散性 → 标准化的类器官尺寸和形状
- 从单细胞生成克隆类器官
- 减少细胞外基质（ECM）消耗
- 高通量生产（每分钟高达数千个微珠）
- 提高了筛选应用的重现性
前列腺类器官的微流控工作流程
该过程通常包括：
- 使用微流控设备在基质胶微珠中进行单细胞封装
- 通过压力驱动的流动系统控制微珠的生成
- 在孵育期间形成类器官
- 可选的基因修饰（如：电穿孔转染）
此工作流程可精确控制：
- 微珠尺寸
- 细胞分布
- 微环境组成
B 孵育 7 天后的前列腺类器官在荧光显微镜下的可视化图像
图片由法国格勒诺布尔法国原子能委员会CEA生物微技术与功能基因组学实验室BIOMICS提供
与 CEA Tech 的技术研究机构 Leti 合作
克服类器官 3D 转染中的挑战
然而，对已形成的类器官进行直接的 3D 转染仍然具有挑战性。前列腺类器官培养的主要限制之一是在 3D 结构中进行高效的基因传递。
嵌入在 ECM 中的类器官会形成密集的结构，从而：
- 限制试剂的渗透
- 降低转染效率
为了解决这个问题，Laperrousaz, B. 等人（2018年）开发了一种用于 3D 前列腺类器官培养中转基因表达的创新方法，该方法将使用 Fluigent 微流控设备的基质胶微珠单细胞封装技术与电穿孔技术相结合。
基于微珠并结合电穿孔的方法已经证实：
- 转染效率高达 80%
- 在 3D 类器官中实现成功的基因表达
该方法为以下领域的深入研究创造了条件：
- 基因功能
- 癌症通路
- 基于类器官的遗传筛选
事实上，他们还验证了 p63 和 PTEN 作为乳腺和前列腺组织腺泡发育关键基因的作用，证实了这种封装和转染方法为基于流控的高通量遗传筛选和功能基因组学应用开辟了新前景。
基于微珠的类器官培养的主要优势
- 每个微珠都相当于一个微型生物反应器
- 能够进行克隆和标准化的类器官生产
- 单分散性：高通量（HT）形成受控尺寸、形状、组成和细胞分布的微珠（2000 个微珠/分钟），从而能够生成均匀且“标准化”的类器官。
- 减少 2-3 倍的 ECM 用量。例如，350 µl 的 ECM（一个 LabTek 4 室载玻片孔的体积）可以生成 42,800 个直径为 250 µm 的微珠。这是前列腺类器官培养的一大优势，因为这类组织的局限性之一在于对基质包埋环境的模拟。
- 便于轻松操作和分选
- 兼容长期冷冻保存
- 支持自动化和高通量工作流程
2D vs. 3D vs. 基于微珠的类器官培养
| 2D 细胞培养 | 标准 3D 细胞培养 | 微珠 3D 细胞培养 | |
|---|---|---|---|
| 生物学相关性 | 低 | 高 | 高 |
| 3D 培养可控性 | / | 低 | 高 |
| 操作简便 | 是 | 否 | 是 |
| 克隆性 | 否 | 否 | 是 |
| 转染效率 | 高 | 低 | 高 |
| 长期储存 | 是 | 否 | 是 |
| 高通量 | 是 | 否 | 是 |
| 成本 | 低 | 高 | 中 |
微珠中前列腺类器官培养的应用
功能基因组学研究：受控的类器官生成与微珠中基于 3D iRNA 的电穿孔技术相结合，为基于流控的高通量（HT）遗传筛选和功能基因组学应用打开了新视角。正如前列腺类器官培养一样，通过调节微珠尺寸和 ECM 浓度可以优化转染效率。围绕类器官的 ECM 数量减少，构成了一个有利于转染的包容性 3D 环境。
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组织发育与肿瘤发生研究：通过在多个发育阶段系统采集含微珠类器官，研究者可对类器官发育动态或肿瘤发生机制开展多组学整合分析（包括转录组、蛋白组、代谢组等层面）。
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组织发育和肿瘤发生：在不同阶段收集含微珠的类器官，可以让用户对类器官的发育或癌变进行多组学分析。
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3D 工具箱：微珠中悬浮的 3D 类器官可以通过大颗粒荧光辅助细胞分选系统轻松吸取、分配和分选。这种基于流控的技术在 3D 培养领域开辟了广阔的应用前景。
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准备好提高您的类器官重现性和通量了吗？
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常见问题解答
微流控技术如何提高前列腺类器官的重现性？
微流控系统可生成具有受控尺寸和组成的高度单分散微珠。这种均匀性确保了所有类器官具有一致的生长条件，与传统的 3D 培养方法相比，减少了变异性。
微珠中的类器官可用于遗传学研究吗？
是的。基于微珠的类器官培养结合电穿孔等技术，能够实现高效的基因传递。这使得研究人员能够在生理学相关的 3D 模型中进行功能基因组学研究并探究基因功能。
与 2D 细胞培养相比，3D 类器官培养有哪些优势？
与 2D 培养相比，3D 类器官通过保留组织结构和细胞相互作用，能更好地模拟体内环境。这可以在疾病建模和药物筛选中提供更具预测性的结果。
基于微珠的类器官培养适合高通量筛选吗？
是的。微流控平台每分钟可生产数千个微珠，使其成为高通量筛选、药物发现和大规模功能分析的理想选择。
为什么要使用类器官而不是动物模型？
类器官通过保留组织结构、细胞相互作用和遗传特征，能更好地复制人类特异性的生物学机制。它们能为药物反应提供更具预测性的结果，减少伦理顾虑，并能从患者源细胞中生成，用于个性化研究。
为什么类器官转染很困难？
类器官嵌入在致密的细胞外基质（ECM）中并形成紧凑的 3D 结构，这限制了转染试剂的渗透。这种物理屏障再加上细胞的异质性，导致其效率低于 2D 培养。
科学参考文献
图片由法国格勒诺布尔法国原子能委员会（CEA）生物微技术与功能基因组学实验室（BIOMICS）提供
芯片上的类器官（Organoids-on-Chip）项目已获得欧盟 H2020 研究与创新计划（项目编号：766884）的资助（阅读更多）。
专业知识与资源
相关微流控解决方案
References
[1] Laperrousaz, B., Porte, S., Gerbaud, S., Ville, H., Gidrol, X., Hourtane, V., & Picollet-D’hahan, N. (2018). Direct transfection of clonal organoids in Matrigel microbeads: a promising approach toward organoid-based genetic screens, Nucleic Acid Research, 1–13.
[2] Dolega, M. E., Abeille, F., Picollet-D’hahan, N., & Gidrol, X. (2015). Biomaterials Controlled 3D culture in Matrigel microbeads to analyze clonal acinar development. Biomaterials, 52, 347–357.
[3] Picollet-D’hahan, N., Dolega, M. E., Freida, D., Martin, D. K., & Gidrol, X. (2017). Deciphering Cell Intrinsic Properties: A Key Issue for Robust Organoid Production. Trends in Biotechnology, 35 (11), 1035–1048.
[4] Picollet-D’hahan, N., Dolega, M. E., Liguori, L., Marquette, C., Le Gac, S., Gidrol, X., & Martin, D. K. (2016). A 3D Toolbox to Enhance Physiological Relevance of Human Tissue Models. Trends in Biotechnology, 1–13.