Colture cellulari 3D

La coltura cellulare tradizionale è stata sviluppata su superfici bidimensionali (2D), semplici e non porose, il che ha facilitato la diffusione di questa tecnica fondamentale per le life science. Poiché in vivo le cellule interagiscono con il loro ambiente in tre dimensioni, gli strumenti, i reagenti e le tecniche di coltura cellulare 3D hanno portato alla creazione di modelli cellulari in vitro più predittivi per diverse applicazioni e discipline tra cui ricerca sul cancro, scoperta di farmaci, neuroscienze e medicina rigenerativa   

I modelli di coltura cellulare 3D possono essere generalmente classificati in due categorie principali in base al metodo utilizzato: 1) metodi basati su scaffold, che utilizzano idrogel o scaffold strutturali e 2) metodi scaffold-free, che utilizzano aggregati cellulari liberamente fluttuanti, tipicamente indicati come sferoidi. La scelta del metodo dipende principalmente dalla natura delle cellule stesse, ma anche dagli obiettivi e dallo scopo della coltura 3D. 

Colture cellulari 3D

Nella coltura basata su scaffold, le cellule sono supportate in tutte le dimensioni da una struttura artificiale o da una rete polimerica nota come idrogel. Queste reti idrofile possono contenere oltre il 90% di acqua e possono essere composte da proteine della matrice extracellulare (ECM) di origine animale o da formulazioni sintetiche. Le cellule sono incorporate nell’idrogel che simula la matrice extracellulare presente in vivo.

Possono inoltre essere creati i cosiddetti scaffold "duri”, ottenuti utilizzando specifici materiali di coltura dotati di strutture fibrose o spugnose, spesso composti da materiali biodegradabili come il policaprolattone o il polistirene otticamente trasparente per ottimizzare l'imaging. Sebbene i supporti così prodotti siano meno simili all'ECM presente in vivo, offrono il vantaggio di migliorare la riproducibilità e facilitare il recupero delle cellule dalla coltura.

Sistemi di coltura cellulare 3D scaffold-free

Nel caso le cellule non vengano coltivate su supporti, possono formare aggregati 3D chiamati sferoidi, che secernono la propria ECM per diventare più simili a tessuti solidi originario. Un esempio tipico è dato dalle sfere tumorali, che consentono lo studio dei gradienti di ossigeno e dell'accesso ai nutrienti nella formazione del tumore. L’utilizzo di colture di sferoidi è spesso preferito per lo screening ad alta capacità dei composti nello sviluppo di farmaci e nella tossicologia, in cui gli sferoidi costituiscono dei modelli più rilevanti dal punto di vista biologico rispetto alle colture 2D. La coltura di sferoidi può essere ottenuta in diversi ambienti, tra cui micropiastre a bassa adesione, bioreattori e sistemi di coltura microfluidica. Sia i sistemi basati su scaffold che quelli scaffold-free consentono l'interazione delle cellule in tutte le direzioni, con il substrato, con altre cellule oltre che coi fattori extracellulari.

Applicazioni avanzate delle colture cellulari 3D

I sistemi cellulari 3D avanzati forniscono ai ricercatori un ibrido tra l'accessibilità delle classiche tecniche di coltura cellulare 2D e la rilevanza biologica dei modelli animali in vivo, con meno preoccupazioni di natura etica. Recentemente, l'uso di metodiche di coltura cellulare 3D avanzate, come sferoidi tumorali, organoidi derivati da cellule staminali e pazienti, e l’ingegneria tissutale basata su bioprinting 3D con cellule e bioinchiostri, è stato implementato per mimare più da vicino le risposte cellulari in vivo. Sono attualmente disponibili in commercio organoidi per specifici tessuti derivati​da cellule iPS che incrementano la riproducibilità e accelerano i risultati rispetto agli organoidi coltivati in laboratorio.