Kultura komórkowa 3D

Tradycyjna hodowla komórek została opracowana na prostych, nieporowatych powierzchniach dwuwymiarowych (2D), co ułatwiło ekspansję tej istotnej techniki w naukach przyrodniczych. Ponieważ komórki in vivo wchodzą w interakcje ze swoim środowiskiem w trzech wymiarach, narzędzia, odczynniki i techniki hodowli komórek 3D doprowadziły do stworzenia bardziej przewidywalnych modeli komórkowych in vitro dla różnych zastosowań i dyscyplin, w tym badań nad rakiem, odkrywania leków, neuronauki i medycyny regeneracyjnej.  

Modele hodowli komórek 3D można ogólnie podzielić na dwie główne kategorie w oparciu o metodę: 1) metody oparte na rusztowaniach wykorzystujące hydrożele lub rusztowania strukturalne oraz 2) metody bez rusztowań wykorzystujące swobodnie pływające agregaty komórek, zwykle określane jako sferoidy. Wybór metody zależy przede wszystkim od charakteru samych komórek, ale także od celów i przeznaczenia hodowli 3D. 

Techniki hodowli komórek 3D oparte na rusztowaniach

W hodowli opartej na rusztowaniach komórki są podtrzymywane we wszystkich wymiarach albo przez sztuczną strukturę, albo przez sieć polimerową znaną jako hydrożel. Te hydrofilowe sieci mogą zawierać ponad 90% wody i mogą składać się z białek macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM) pochodzenia zwierzęcego lub są dostępne jako syntetyczne preparaty wolne od zwierząt. Komórki są osadzane w hydrożelach, aby symulować macierz zewnątrzkomórkową in vivo.

Tzw. "twarde" rusztowania mogą być również tworzone przy użyciu specjalistycznego sprzętu hodowlanego o włóknistej lub gąbczastej strukturze, często składającego się z biodegradowalnych materiałów, takich jak polikaprolakton lub optycznie przezroczysty polistyren w celu optymalizacji obrazowania. Chociaż te wytwarzane nośniki są mniej podobne do ECM in vivo, mogą zwiększyć odtwarzalność i ułatwić pobieranie komórek z hodowli.

Bezrusztowe systemy hodowli komórek 3D

Kiedy komórki nie są hodowane na nośnikach, mogą tworzyć agregaty 3D zwane sferoidami, które wydzielają własny ECM, aby bardziej przypominać natywne tkanki stałe. Typowe przykłady obejmują sferoidy nowotworowe, które umożliwiają badanie gradientów tlenu i dostępu do składników odżywczych w procesie powstawania guza. Hodowla sferoidalna jest często preferowana do wysokoprzepustowych badań przesiewowych związków w rozwoju leków i toksykologii, gdzie sferoidy stanowią bardziej istotne biologicznie modele niż hodowle 2D. Hodowlę sferoidalną można prowadzić w różnych środowiskach, w tym w mikropłytkach o niskiej przyczepności, bioreaktorach i systemach hodowli mikroprzepływowej. Zarówno systemy z rusztowaniem, jak i bez rusztowania umożliwiają interakcję we wszystkich kierunkach z podłożem, innymi komórkami i czynnikami pozakomórkowymi.

Zaawansowane zastosowania hodowli komórkowych 3D

Zaawansowane systemy komórkowe 3D umożliwiają badaczom hybrydę między dostępnością klasycznych technik hodowli komórkowych 2D a biologicznym znaczeniem modeli zwierzęcych in vivo, przy mniejszych obawach etycznych. Niedawno wdrożono zaawansowane metody hodowli komórek 3D, takie jak sferoidy nowotworowe, organoidy pochodzące z komórek macierzystych i pacjentów oraz inżynieria tkankowa poprzez biodruk 3D z komórkami i biotuszami, aby dokładniej modelować reakcje komórkowe in vivo. Organoidy pochodzące z komórek iPS stały się komercyjnie dostępne dla wybranych tkanek, zwiększając potencjał odtwarzalności i przyspieszając wyniki w porównaniu z organoidami hodowanymi w laboratorium.