「眾里尋他千百度」，用來形容藥物篩選，再合適不過。百余年前，細胞作為模型系統(tǒng)被用于藥物篩選和疾病研究，讓這一繁雜、困難的工作逐步邁向「柳暗花明」，幫助研究人員篩選出了不少更為安全、有效的藥物。今天，就讓我們一起走近幾種代表性的細胞模型。

原代細胞

原代細胞是通過酶解或物理方法從活體組織（例如活檢材料）或者血液中直接分離獲取，并在體外培養(yǎng)的細胞。由于原代細胞經(jīng)歷極少的群體倍增，保留了其原始組織的表型和基因型特征，因此比連續(xù)（腫瘤或人工永生化的）細胞系更能代表其來源組織的主要功能成分。

盡管優(yōu)點眾多，但不可否認(rèn)的是，原代細胞的分離可能費時、費力，而且每種細胞類型都有其獨特的營養(yǎng)需求。同時，細胞產(chǎn)量在培養(yǎng)過程中還可能發(fā)生變化，隨著時間的推移，細胞在培養(yǎng)和衰老的過程中會變得不易擴增。

人體的原代細胞可用于確定從動物模型外推所得人類數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，人肝細胞便是一項已在體外藥物毒理學(xué)領(lǐng)域廣泛使用的原代細胞實例。

圖 1  在原代肝細胞中進行藥物/化合物的吸收、分配、代謝、排除以及毒性（ADME/TOX）的研究，對于評估藥物安全及藥代動力學(xué)至關(guān)重要。

盡管原代肝細胞在毒理學(xué)研究中的價值已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，但由于供體不足、成本較高、不同細胞來源間較大的遺傳差異、肝細胞在體外的增殖能力有限，以及原代細胞無法避免的缺點（壽命短、體內(nèi)功能的迅速喪失），限制了原代細胞在毒理學(xué)研究中的應(yīng)用。

在這種情況下，細胞系應(yīng)運而生。

細胞系

細胞系指的是原代細胞培養(yǎng)物經(jīng)首次傳代成功后所繁殖的細胞群體，在其存活期間，具有最高生長能力的細胞將占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致細胞群體在基因型和表型上可以達到一定程度的均一性，故而可以用于解決原代細胞培養(yǎng)中壽命短和擴增受限的問題。

相比于原代培養(yǎng)的細胞，細胞系更為均一和標(biāo)準(zhǔn)化，在藥物篩選和毒理學(xué)研究中具有重要作用，舉個例子：

HepG2 細胞系（源自肝癌組織）是正常肝細胞的有效替代物，HepG2 細胞系顯示出與天然肝細胞相似的形態(tài)和功能特性，可以合成肝細胞相關(guān)的血清蛋白（清蛋白、α2-巨球蛋白、絲氨酸蛋白酶抑制劑 A1、α-抗胰蛋白酶，轉(zhuǎn)鐵蛋白和血纖維蛋白溶酶原等）。

圖 2  常用細胞系示意圖

細胞系可以分為有限細胞系和無限細胞系，有限細胞系壽命有限，在衰老之前可傳代 20-80 次；無限細胞系則具有無限繁殖的能力，即永生化。源自宮頸癌細胞的 HeLa 細胞系是最著名的細胞系，也是醫(yī)學(xué)研究中的重要工具。

同樣的，細胞系的缺點也很明顯：

1. 容易發(fā)生自然或誘導(dǎo)突變，在經(jīng)歷非常多的傳代后，細胞系可能會發(fā)生一些基因型乃至表型的改變；

2. 細胞污染，全世界使用的細胞系中有約 15–20% 被錯誤識別或被其他類型的細胞污染。

盡管如此，細胞系作為是一種簡單而有效的工具，仍是學(xué)術(shù)領(lǐng)域和制藥行業(yè)研究的主要手段，不得不說，永生癌細胞系是研究癌癥生物學(xué)和測試抗癌療法的寶貴模型。

干細胞

近年來，在生物制藥領(lǐng)域，研究的思維方式逐漸從基于原代和細胞系的系統(tǒng)轉(zhuǎn)向更強大、更現(xiàn)實和更具個性化的干細胞系統(tǒng)。

干細胞具有無限的增殖能力和產(chǎn)生各種類型細胞的可塑性，相比于原代細胞和細胞系，其在發(fā)育生物學(xué)、疾病建模和細胞治療領(lǐng)域具有巨大的潛力。

根據(jù)不同的分化潛能，干細胞可分為全能干細胞、多能干細胞、單能干細胞；根據(jù)發(fā)生學(xué)來源進行分類，干細胞又可以分為成體干細胞以及胚胎干細胞。

成體干細胞

成體干細胞，是指存在于一種已經(jīng)分化組織中的未分化細胞，這種細胞能夠自我更新并且能夠特化形成組成該類型組織的細胞。

骨髓間充質(zhì)干細胞（BM-MSCs）以及造血干細胞（HSCs）便是是從成人組織中分離出來的，具有自我更新的能力的成體干細胞，這些多能成體干細胞被廣泛用作預(yù)測藥物毒性的體外細胞模型。

Bio-Techne 可提供 BM-MSCs 及 HSCs 分離、鑒定、培養(yǎng)、誘導(dǎo)分化的全套解決方案，以 MSCs 的研究為例：

胚胎和誘導(dǎo)性多能干細胞

胚胎干細胞（ESCs）是指由胚胎內(nèi)細胞團或原始生殖細胞經(jīng)體外抑制培養(yǎng)而篩選出的細胞。1998 年，研究人員從胚泡階段的內(nèi)細胞團中分離出了第一個人胚胎干細胞系。2007 年，成人體細胞被重新編程為多能性干細胞，被稱為人類誘導(dǎo)多能干細胞（iPSCs）。

人類胚胎干細胞和誘導(dǎo)多能干細胞被統(tǒng)稱為多能干細胞，能夠長期自我更新，且可以向三個胚層（內(nèi)胚層，中胚層和外胚層）的細胞類型分化。這些特性使得它們成為評估藥物和有毒化合物的有力工具。

圖 3  使用 StemXVivo Hepatocyte Differentiation Kit 將 iPSK3 人誘導(dǎo)多能干細胞再分化為肝細胞樣細胞，并將細胞接種于 96 孔板中，使用肝毒性化合物（Carboplatin、Doxorubicin、Crizotinib、Tacrine）進行篩選。細胞活力（A）和脂質(zhì)代謝（B）分析表明，肝毒性化合物對 iPSCs 衍生的肝細胞的毒性具有劑量依賴性。

在未分化狀態(tài)下，多能干細胞還是發(fā)育毒理學(xué)的重要體外模型。眾所周知，胚胎發(fā)育是一個特別易受藥物和有毒化合物侵害的時期，動物模型很難概括藥物對人類發(fā)育早期事件的影響，而多能干細胞因其特性，為研究胚胎發(fā)生過程中的藥物毒性提供了一個獨特且可行的平臺。

此外，多能干細胞所具有的分化為所有細胞類型的能力，對于研究稀少或難以分離的細胞類型（例如神經(jīng)元或心肌細胞）來說極具價值。相關(guān)研究表明，多能干細胞對疾病建模，藥物篩選和毒性測試具有較大的幫助。

最后，人誘導(dǎo)多能干細胞還可以建立疾病個性化的細胞模型，以協(xié)助糖尿病、囊性纖維化、帕金森氏病和精神分裂癥等疾病的研究。舉個例子，從患有家族性自主神經(jīng)功能異常（一種罕見的、致命的遺傳性疾病，可以影響神經(jīng)嵴細胞系的產(chǎn)生）的患者的 iPSCs 衍生出的神經(jīng)嵴前體細胞，再將這些前體細胞用于新藥篩選，有助于設(shè)計更安全、更有效的治療方案。

圖 4  采用 iPSCs 衍生的細胞進行個性化毒性檢測

多能干細胞的鑒定與研究包括培養(yǎng)、分化、驗證等環(huán)節(jié)，Bio-Techne 可提供相關(guān)的培養(yǎng)基、試劑盒、細胞因子及小分子化合物：

當(dāng)然，不論是原代細胞，還是細胞系，抑或是干細胞，在實際應(yīng)用中，都離不開具體的細胞培養(yǎng)。細胞培養(yǎng)作為一種在體外模擬體內(nèi)環(huán)境，使細胞生存、生長、繁殖并維持主要結(jié)構(gòu)和功能的一種方法，與研究的成功與否息息相關(guān)。

以上文字和圖片來源于Bio-techne