3D modely – klíč k úspěchu s buněčnými kulturami
Téměř všechny buňky in vivo jsou usídlené v extracelulární matrix (ECM), která má složitou 3D architekturu. Tyto buňky interagují se sousedními buňkami pomocí biochemických spojů [1]. Proto je logické, že prostředí buněčné kultury, které není schopno napodobit tuto strukturu a organizaci, může mít svá omezení. Buňky pěstované v plochém 2D prostředí často vykazují zhoršené vlastnosti, co se týče buněčné morfologie, životaschopnosti, diferenciace a proliferace.
Taková omezení 2D buněčné kultury mohou způsobovat překážky pro výzkum a přispívat k různým problémům, např. preklinické screeningové testy léků a jejich toxicity založené na buňkách mohou mít slabou vypovídající hodnotu, modelování v rámci nádorové biologie může být neúčinné a použití zvířecích modelů při modelování preklinických studií v rámci vývoje léků může být nedůvěryhodné.
Proč je 3D lepší?
Současné důkazy silně naznačují, že 3D buněčné kultury, které umožňují fyziologické interakce buňky s buňkou a interakce buňky s extracelulární matrix, jsou schopny napodobit specifičnost nativní tkáně, zejména v odvětvích, které využívají kultury kmenových buněk, ve výzkumu nádorů, u screeningu léků a jejich toxicity a u tkáňového inženýrství.
Pokud srovnáme buňky ve 2D a 3D kulturách, jedním z hlavních rozdílů je odlišnost v buněčné morfologii. Protože buňky zaujímají svůj tvar na základě orientací svých spojení s extracelulární matrix pomocí integrinů, ve 2D kultuře se tato spojení vyskytují pouze na jedné straně buňky. Naproti tomu ve 3D kultuře se tato spojení vyskytují po celém povrchu buňky [2]. Výsledkem je, že rozprostření buněk a jejich spojení s extracelulární matrix trvá ve 3D kultuře déle. V některých případech je to více než několik dní, což může přímo ovlivňovat buněčnou proliferaci, apoptózu (buněčnou smrt) a diferenciaci [3-6]. Některé buněčné typy mohou dokonce znovu získat svou původní fyziologickou podobu a úlohu, pokud jsou pěstovány ve 3D prostředí [7].
Buněčná funkčnost jako taková je takto upravenou morfologií ovlivněna také a buňky, které jsou pěstovány ve 3D prostředí, se tak mnohem více přibližují vlastnostem pozorovaným in vivo [8,9]. Výsledkem pak je, že modely založené na 3D buněčných kulturách mohou v podstatě zcela napodobit in vivo prostředí a umožnit růst a diferenciaci buněk, které vykazují chování a funkčnost jako in vivo.
Zdokonalování techniky pro optimální výsledky
Aby byly modely 3D buněčných kultur schopny přesné predikce buněčného chování, musí být přesně reprodukovány aspekty buněčného chování, které se vyskytuje in vivo – a toto platí napříč rozličnými vědeckými aplikacemi. Aby toho bylo docíleno, modely 3D buněčných kultur většinou vyžadují použití matric založených na hydrogelech nebo pevná extracelulární lešení (scaffolds). Ze všech různých metod, které jsou pro úspěšnou 3D buněčnou kulturu k dispozici, jsou nejčastěji používané hydrogely přirozeně odvozené z extracelulární matrix.
Hydrogely a extracelulární matrix jsou velmi efektivními matricemi pro 3D buněčné kultury. Nesou charakteristiky velmi podobné přírodní tkáni a jsou obvykle odvozeny z přírodních zdrojů, a proto tyto gely podporují buněčnou funkci skrze svůj biokompatibilní a bioaktivní původ [10]. Syntetické hydrogely a pevná lešení jsou také efektivními technikami pro 3D buněčnou kulturu.
Dalším přístupem 3D buněčné kultury je využití buněčných sféroidů. 3D sféroidní kultury jsou jednoduchými modely, jež mohou být odvozeny z široké škály buněčných typů, které vytváří sféroidy díky sklonu adherentních buněk shlukovat se dohromady. Sféroidy přirozeně napodobují různé aspekty pevných tkání, což z nich dělá efektivní metodu v nádorovém výzkumu. Diferenciace pluripotentních kmenových buněk (PSCs) také velmi často zahrnuje vytváření sférických struktur, takže sféroidy jsou zvláště dobrým fyziologickým 3D modelem i v tomto případě.
(Převzato od společnosti Corning, redakčně upraveno.)
Zdroje:
1. Lodish H, et al. Molecular Cell Biology. New York W.H. Freeman and Company (2002).
2. Baker BM and Chen CS. J. Cell Sci. 125(13):3015-3024 (2012).
3. Singhvi R, et al. Science 264:696-698 (1994).
4. Chen CS, et al. Science 276:1425-1428 (1997).
5. Thomas CH, et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99:1972-1977 (2002).
6. McBeath R, et al. Dev. Cell 6:483-495 (2004).
7. Benya PD and Shaffer JD. Cell 30:215-224 (1982).
8. Debnath J and Brugge JS. Nat. Rev. Cancer 5:675-688 (2005).
9. Nelson CM and Bissell MJ. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 22:287-309 (2006).
10. Dawson E, et al. Adv. Drug. Deliv. Rev. 60(2):215-228 (2008).