3D buněčné kultury

Tradiční kultivace buněk byla vyvinuta na jednoduchých, neporézních dvourozměrných (2D) površích, což usnadnilo rozšíření této důležité techniky v oblasti věd o živé přírodě. Protože buňky in vivo interagují se svým prostředím ve třech rozměrech, vedly nástroje, činidla a techniky 3D buněčných kultur k vytvoření prediktivnějších buněčných modelů in vitro pro různé aplikace a obory včetně výzkumu rakoviny, objevování léčiv, neurověd a regenerativní medicíny.  

3D modely buněčných kultur lze obecně rozdělit do dvou základních kategorií podle metody: 1) metody založené na scaffoldech s použitím hydrogelů nebo strukturních scaffoldů a 2) přístupy bez scaffoldů s použitím volně plovoucích buněčných agregátů, obvykle označovaných jako sféroidy. Volba metody závisí především na povaze samotných buněk, ale také na cílech a účelu 3D kultury. 

Techniky 3D kultivace buněk na bázi scaffoldů

Při kultivaci na bázi scaffoldů jsou buňky ve všech rozměrech podepřeny buď umělou strukturou, nebo polymerní sítí známou jako hydrogel. Tyto hydrofilní sítě mohou obsahovat více než 90 % vody a mohou být složeny z proteinů extracelulární matrix (ECM) živočišného původu nebo jsou k dispozici jako syntetické preparáty bez živočišného původu. Buňky jsou do hydrogelů zapuštěny, aby simulovaly extracelulární matrici in vivo.

Tzv. tvrdé scaffoldy lze také vytvořit pomocí specializovaných kultivačních nádob s vláknitou nebo houbovitou strukturou, často složenou z biologicky odbouratelných materiálů, jako je polykaprolakton nebo opticky průhledný polystyren pro optimalizaci zobrazování. Ačkoli se tyto vyrobené podpěry méně podobají ECM in vivo, mohou zvýšit reprodukovatelnost a usnadnit odebírání buněk z kultury.

Systémy 3D buněčných kultur bez podpěr

Když se buňky nepěstují na podpěrách, mohou vytvářet 3D agregáty zvané sféroidy, které vylučují vlastní ECM a stávají se tak více podobnými nativním pevným tkáním. Mezi běžné příklady patří nádorové sféry, které umožňují studovat gradienty kyslíku a přístup živin při tvorbě nádorů. Sféroidní kultury jsou často upřednostňovány pro vysoce výkonný screening sloučenin při vývoji léčiv a v toxikologii, kde sféroidy představují biologicky relevantnější modely než 2D kultury. Sféroidní kultivace lze dosáhnout v různých prostředích, včetně mikrotitračních destiček s nízkým připojením, bioreaktorů a mikrofluidních kultivačních systémů. Systémy se skeletem i bez skeletu umožňují interakci ve všech směrech se substrátem, jinými buňkami a extracelulárními faktory.

Pokročilé aplikace 3D buněčných kultur

Pokročilé 3D buněčné systémy umožňují výzkumníkům hybrid mezi dostupností klasických 2D technik kultivace buněk a biologickou relevancí zvířecích modelů in vivo, a to s menšími etickými problémy. V poslední době se pro věrnější modelování buněčných reakcí in vivo zavádějí pokročilé metody 3D buněčných kultur, jako jsou nádorové sféroidy, organoidy odvozené z kmenových buněk a od pacientů a tkáňové inženýrství prostřednictvím 3D bioprintingu s buňkami a bioinkousty. Organoidy odvozené z iPS buněk se staly komerčně dostupnými pro vybrané tkáně, což zvyšuje potenciál reprodukovatelnosti a urychluje výsledky oproti laboratorně kultivovaným organoidům.