Cultura celular tridimensional

A cultura celular tradicional foi desenvolvida em superfícies simples, não porosas bidimensionais (2D), o que facilitou a expansão dessa técnica essencial em todas as ciências biológicas. Como as células in vivo interagem com seu meio ambiente em três dimensões, as ferramentas, reagentes e técnicas de cultura celular tridimensional levaram à criação de modelos celulares in vitro mais preditivos para diversas aplicações e disciplinas, incluindo pesquisa oncológica, descoberta de medicamentos, neurociência e medicina regenerativa.

Modelos de cultura celular tridimensional, em geral, podem ser classificados em duas categorias principais com base no método: 1) métodos baseados em estrutura polimérica (scaffold) usando hidrogéis ou polímeros estruturais e 2) abordagens sem estrutura polimérica (scaffold) usando agregados celulares flutuantes livres, geralmente denominados esferoides. A escolha do método depende principalmente da natureza das células propriamente ditas, mas também dos objetivos e finalidades da cultura tridimensional.

Técnicas de cultura celular tridimensional baseada em estrutura polimérica (scaffold)

Na cultura baseada em estrutura polimérica, as células são sustentadas em todas as dimensões por uma estrutura artificial ou por uma rede polimérica conhecida como hidrogel. Essas redes hidrofílicas podem conter mais de 90% de água e podem ser compostas por proteínas de matriz extracelular (MEC) de origem animal ou estão disponíveis como formulações sintéticas de origem não animal. As células são embebidas em hidrogéis para simular a matriz extracelular in vivo.

As chamadas estruturas poliméricas “rígidas” podem ser criadas usando equipamentos para cultura especializados com estruturas fibrosas ou esponjosas, muitas vezes compostas por materiais biodegradáveis, como policaprolactona ou polistireno oticamente transparente para otimizar o imageamento. Embora esses suportes artificiais sejam menos semelhantes à MEC in vivo, eles podem intensificar a reprodutibilidade e facilitar a recuperação de células da cultura.

Sistemas de cultura celular tridimensional sem estrutura polimérica (scaffold)

Quando as células não são cultivadas em suportes, elas podem formar agregados tridimensionais chamados de esferoides, que secretam sua própria MEC para ficarem mais parecidas com tecidos sólidos nativos. Exemplos comuns incluem tumoresferas, que possibilitam o estudo de gradientes de oxigênio e acesso a nutrientes na formação tumoral. A cultura de esferoides normalmente é preferida na triagem de compostos de alta produtividade no desenvolvimento de medicamentos e toxicologia, em que esferoides apresentam modelos mais relevantes do ponto de vista biológico que culturas bidimensionais. A cultura de esferoides pode ser viável em diversos ambientes, incluindo microplacas de baixa adesão, biorreatores e sistemas de cultura de microfluídica. Sistemas com e sem estrutura polimérica possibilitam interação em todas as direções com substratos, outras células e fatores extracelulares.

Aplicações avançadas da cultura celular tridimensional

Sistemas de células tridimensionais avançados permitem que pesquisadores tenham um híbrido entre a acessibilidade das técnicas de cultura celular bidimensional e a relevância biológica de modelos animais in vivo, com menos preocupações éticas. Recentemente, o uso de métodos de cultura celular tridimensional avançados, tais como esferoides tumorais, organoides derivados de células-tronco e de pacientes, além de engenharia de tecidos por bioimpressão tridimensional com células e biotintas foram implementados para representar um modelo mais aproximado das respostas celulares in vivo. Organoides derivados de células-tronco pluripotentes induzidas (CTPi) se tornaram disponíveis comercialmente para determinados tecidos, melhorando o potencial de reprodutibilidade e acelerando os resultados em comparação com organoides cultivados em laboratório.