Culture cellulaire 3D

La culture cellulaire traditionnelle a été développée sur des surfaces bidimensionnelles (2D) simples et non poreuses, ce qui a permis d'étendre cette technique vitale à tous les domaines des sciences de la vie. Comme les cellules in vivo interagissent avec leur environnement dans trois dimensions, les outils, réactifs et techniques de culture cellulaire en 3D ont permis de créer des modèles cellulaires in vitro plus prédictifs pour diverses applications et disciplines, notamment la recherche sur le cancer, la découverte de médicaments, les neurosciences et la médecine régénérative.  

D'une manière générale, les modèles de culture cellulaire en 3D peuvent être classés en deux catégories principales, selon la méthode employée : 1) les méthodes impliquant un support, utilisant des hydrogels ou des supports structuraux, et 2) les approches sans support, utilisant des agrégats de cellules flottant librement, typiquement appelés sphéroïdes. La méthode choisie dépend principalement de la nature des cellules elles-mêmes, mais également des objectifs et de la finalité de la culture en 3D. 

Techniques de culture cellulaire en 3D basées sur un support

Dans la culture sur support, les cellules sont supportées dans les trois dimensions, soit par une structure artificielle soit par un réseau polymère connu sous le nom d'hydrogel. Ces réseaux hydrophiles peuvent contenir plus de 90 % d'eau, être composés de protéines de matrice extracellulaire (MEC) d'origine animale, ou être disponibles sous forme de formulations de synthèse sans constituant d'origine animale. Les cellules sont intégrées à des hydrogels pour simuler la matrice extracellulaire in vivo.

Des supports dits "durs" peuvent également être créés en utilisant du matériel de culture spécialisé avec des structures fibreuses ou semblables à des éponges, souvent constitué de matériaux biodégradables comme la polycaprolactone ou le polystyrène optiquement transparent pour optimiser l'imagerie. Même si ces supports fabriqués artificiellement sont moins similaires à la MEC in vivo, ils peuvent améliorer la reproductibilité et faciliter la récupération des cellules en culture.

Systèmes de culture cellulaire en 3D sans support

Lorsque les cellules ne sont pas cultivées sur des supports, elles peuvent former des agrégats en 3D appelés sphéroïdes, qui sécrètent leur propre MEC afin de se rapprocher d'un tissu solide natif. Parmi les exemples courants, on peut citer les sphères tumorales de cancer, qui permettent d'étudier les gradients d'oxygène et l'accès aux nutriments dans la formation des tumeurs. La culture de sphéroïdes est souvent préconisée dans le criblage de composés à haut débit durant le développement des médicaments et l'étude de leur toxicologie, domaine dans lequel les sphéroïdes constituent des modèles plus pertinents sur le plan biologique que les cultures en 2D. La culture de sphéroïdes peut être effectuée dans divers environnements, notamment des microplaques à faible adhérence, des bioréacteurs et des systèmes de culture microfluidiques. Tous les systèmes, qu'ils soient avec ou sans support, autorisent les interactions dans toutes les directions avec le substrat, les autres cellules et les facteurs extracellulaires.

Applications de pointe de la culture cellulaire 3D

Les systèmes cellulaires 3D de pointe offrent aux chercheurs une solution hybride entre l'accessibilité des techniques de culture cellulaire 2D classiques et la pertinence biologique des modèles animaux in vivo, en limitant les préoccupations éthiques. Récemment, des méthodes pointues de culture cellulaire en 3D, telles que les sphéroïdes tumoraux, les organoïdes dérivés de cellules souches et de patients, et l'ingénierie tissulaire via la bio-impression en 3D avec des cellules et des bio-encres, ont été mises en œuvre pour modéliser plus fidèlement les réponses cellulaires in vivo. Des organoïdes dérivés de CSPi sont maintenant disponibles sur le marché pour certains tissus, ce qui améliore le potentiel de reproductibilité et accélère les résultats comparativement aux organoïdes cultivés en laboratoire.