3D-Zellkultur

Gerüstbasierte 3D-Zellkulturtechniken

Bei der gerüstbasierten Kultur werden die Zellen in allen Dimensionen entweder durch eine künstliche Struktur oder durch ein als Hydrogel bezeichnetes Polymernetzwerk unterstützt. Diese hydrophilen Netze können über 90 % Wasser enthalten und aus tierischen Proteinen der extrazellulären Matrix (ECM) bestehen oder als tierfreie synthetische Formulierungen erhältlich sein. Zellen werden in Hydrogele eingebettet, um die extrazelluläre Matrix in vivo zu simulieren.

So genannte "harte" Gerüste können auch mit Hilfe spezieller Kulturgeräte mit faserigen oder schwammartigen Strukturen hergestellt werden, die häufig aus biologisch abbaubaren Materialien wie Polycaprolacton oder optisch transparentem Polystyrol bestehen, um die Bildgebung zu optimieren. Obwohl diese hergestellten Trägermaterialien der ECM in vivo weniger ähnlich sind, können sie die Reproduzierbarkeit verbessern und die Entnahme von Zellen aus der Kultur erleichtern.

Gerüstfreie 3D-Zellkultursysteme

Wenn Zellen nicht auf Trägermaterialien gezüchtet werden, können sie 3D-Aggregate, so genannte Sphäroide, bilden, die ihre eigene ECM absondern und so mehr wie natives, festes Gewebe werden. Ein gängiges Beispiel sind Krebstumorkugeln, die die Untersuchung von Sauerstoffgradienten und Nährstoffzugang bei der Tumorbildung ermöglichen. Die Sphäroidkultur wird häufig für das Screening von Wirkstoffen im Hochdurchsatzverfahren in der Arzneimittelentwicklung und Toxikologie bevorzugt, da Sphäroide biologisch relevantere Modelle darstellen als 2D-Kulturen. Die Sphäroidkultur kann in verschiedenen Umgebungen durchgeführt werden, darunter Mikroplatten mit geringer Befestigung, Bioreaktoren und mikrofluidische Kultursysteme. Sowohl gerüstbehaftete als auch gerüstfreie Systeme ermöglichen eine Interaktion in alle Richtungen mit dem Substrat, anderen Zellen und extrazellulären Faktoren.

Fortgeschrittene Anwendungen der 3D-Zellkultur

Fortgeschrittene 3D-Zellsysteme ermöglichen den Forschern eine Mischung aus der Zugänglichkeit klassischer 2D-Zellkulturtechniken und der biologischen Relevanz von In-vivo-Tiermodellen, wobei weniger ethische Bedenken bestehen. In jüngster Zeit wurden fortschrittliche 3D-Zellkulturmethoden wie Tumor-Sphäroide, von Stammzellen und Patienten stammende Organoide und Gewebezüchtung durch 3D-Bioprinting mit Zellen und Biotinten eingesetzt, um die Zellreaktionen in vivo besser zu modellieren. Aus iPS-Zellen gewonnene Organoide sind inzwischen für ausgewählte Gewebe kommerziell erhältlich, was die Reproduzierbarkeit erhöht und die Ergebnisse im Vergleich zu im Labor kultivierten Organoiden beschleunigt.