综述：用于评估细胞对电离辐射反应的生理相关器官型组织切片模型

《International Journal of Molecular Sciences》：Physiologically Relevant Organotypic Tissue Slice Model for Evaluating Cell Responses to Ionizing Radiation Victoria Shestakova, Ekaterina Smirnova, Elena Isaeva, Anna Smirnova, Dmitrii Atiakshin, Elena Yatsenko, Anna Yakimova, Sergey Koryakin, Denis Baranovskii and Ilya Klabukov + 6 authors

本篇综述推荐一种用于放射生物学研究的新模型——器官型组织切片（OTS/OTC）。该模型可保留组织的复杂三维结构，有效模拟体内对电离辐射的生理反应。它旨在标准化和统一对新型电离辐射源的评估，有望填补传统体外细胞培养与动物模型之间的空白，促进更安全、精准的放疗方案开发。

　　

1. 引言：放射生物学模型的发展与挑战

在评估电离辐射生物效应的研究中，生物模型从简单的生物分子溶液到实验动物，范围广泛。常规模型包括源自肿瘤活检的细胞单层和细胞球体，它们被用于评估细胞死亡和修复机制。然而，单层细胞培养缺乏自然的细胞间相互作用，而细胞球体虽然表现出“多细胞抗性”等更接近体内观察的现象，但也因缺乏血管化、正常扩散受限以及关键基质成分（如免疫细胞、成纤维细胞和血管系统）而存在固有局限。动物模型虽然能评估系统性反应和免疫反应，但存在个体差异大、操作侵入性强、成本高昂等问题。因此，发展一种标准化、可重复且生物学上更相关的模型，以精确评估各种放射源的效能和安全性，是精确放疗领域的关键需求。

2. 活器官型组织切片的处理方案

器官型组织切片（OTS）或器官型组织培养物（OTC）是源自特定器官的精密组织切片，保留了组织的复杂结构和多细胞环境。它为研究电离辐射效应提供了一个独特的平台，弥合了体外细胞培养和体内动物模型之间的差距。该模型可有效模拟体内对电离辐射的生理反应，有助于深入理解辐射损伤与修复机制、辐射诱导的毒性及副作用。其应用包括切片制备、辐射暴露和结果评估。共聚焦显微镜等现代成像技术的发展，使得追踪厚达500 μm的活体组织切片中的细胞事件成为可能，为评估辐射效应提供了强有力的工具。

3. 用于评估电离辐射源的当前三维组织模型方法

目前，放射生物学研究有多种技术，如产生薄至100-250纳米的冷冻细胞和组织“薄片”的冷冻聚焦离子束铣削技术。经典的切片技术可产生1-1000微米厚的组织切片，但这些方法无法提供用于评估电离辐射效应的活组织切片。用于长期培养的旋转式组织生物反应器可用于维持样品活力，但其尺寸（通常不超过400 μm）受限于氧气扩散的有效性。使用振动切片机技术制备的精密切割“薄片”（flannics），厚度可达200微米，适合长期培养，并可用于通过激光共聚焦显微镜评估电离辐射效应。空间参数适用于评估加速粒子束的布拉格峰效应。研究表明，约200微米厚的切片足以保存天然的三维微结构、细胞-细胞外基质相互作用和基质成分，同时又足够薄，以最大程度减少严重的扩散限制。

4. 药理学和放射生物学中的组织培养

二维细胞单层培养在药物筛选中存在局限性，常导致体内外结果预测性差。三维细胞球体和肿瘤体成为研究药物渗透、肿瘤异质性和微环境在化疗耐药中作用的标准模型，但其缺乏关键基质成分。这使得精密切割组织切片（“薄片”）的概念成为药理学和放射生物学的关键。组织培养的目标是维持现有细胞群及其生理状态，而非扩增细胞。不同组织的培养条件（如培养基、培养时间、温度、氧气和二氧化碳张力）需根据组织来源进行优化。例如，略低于37°C（如32-36°C）的孵育温度有助于通过减少代谢消耗来保存复杂的组织结构。约200微米厚的切片消除了在更厚切片表面因过度氧合（>70% O₂）而产生氧化应激损伤的风险。采用气-液界面培养法可以通过模拟生理性氧合来保持组织活力。发展用于放射生物学目的的200微米厚组织切片模型是一个复杂系统，需确定特定的温度、O₂和CO₂浓度以及培养支持条件，以实现其作为长期平台的潜力，用于研究直接DNA损伤、细胞死亡异质性以及组织微环境的延迟反应。

5. 未来研究

器官型组织切片模型的应用，为评估质子、重离子和放射性核素等新型电离辐射源的效应提供了新工具。未来的研究不仅限于评估LD₅₀和双链断裂，还包括细胞衰老、异质性细胞死亡类型以及“再生”现象的研究。这些模型使得沿辐射束路径可视化放射生物效应成为可能，并能全面评估不同细胞死亡类型的出现。为此，需要标准化的组织切片制备、培养和评估方案。文中提出使用“薄片”模型，其特性允许组装多层结构，用于对电离辐射源的放射生物效应进行生理相关评估，并适用于T-CUP类流动培养系统或先进的模块化生物反应器。尽管200微米厚的切片在评估布拉格峰效应方面存在固有局限，但其对于研究临床相关扩展布拉格峰场内的综合生物反应以及场外效应仍具有价值。

6. 结论

厚度约为200微米的器官型组织切片代表了评估所有类型电离辐射（包括光子、电子、中子、质子和重离子）效应的一个有前景的模型。使用这些模型的主要目标不仅是保存天然的细胞外环境，还要评估由辐射引起的细胞死亡机制。这些切片的空间尺度使得评估布拉格峰在组织深度内的剂量分布成为可能。这些生理相关的组织模型可用于比较不同放射生物学研究的结果，有望推动辐射医学和研究的发展。