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3D-Zellkultur

3D-Bioprinting von menschlichem Lebergewebe auf durchlässigen Corning Transwell-Trägern.

Die traditionelle Zellkultur wurde auf einfachen, nicht porösen zweidimensionalen (2D) Oberflächen entwickelt, was die Verbreitung dieser wichtigen Technik in den Life Sciences erleichtert hat. Da Zellen in vivo mit ihrer Umgebung in drei Dimensionen interagieren, haben 3D-Zellkulturtools, -Reagenzien und -Techniken zur Erstellung von aussagekräftigeren In-vitro-Zellmodellen für verschiedene Anwendungen und Disziplinen wie Krebsforschung, Arzneimittelforschung, Neurowissenschaften und regenerativer Medizin geführt.

3D-Zellkulturmodelle können im Allgemeinen in zwei auf der Methode basierende Hauptkategorien eingeteilt werden: 1) gerüstbasierte Methoden unter Verwendung von Hydrogelen oder strukturellen Gerüsten und 2) gerüstfreie Ansätze unter Verwendung frei schwebender Zellaggregate, die üblicherweise als Sphäroide bezeichnet werden. Die Wahl der Methode hängt in erster Linie von der Art der Zellen selbst, aber auch von den Zielen und dem Zweck der 3D-Kultur ab.


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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 gestützt. Diese hydrophilen Netze können mehr als 90 % Wasser enthalten, aus extrazellulären Matrixproteinen (EZM) tierischen Ursprungs bestehen oder als tierversuchsfreie synthetische Formulierungen erhältlich sein. Die Zellen sind in Hydrogele eingebettet, um die extrazelluläre Matrix in vivo zu simulieren.

Sogenannte "harte" Trägergerüste können auch unter Verwendung spezieller Kulturgefäße 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 in vivo vorhandenen EZM weniger ähnlich sind, können sie die Reproduzierbarkeit verbessern und die Entnahme von Zellen aus der Kultur erleichtern.

Gerüstfreie 3D-Zellkultursysteme

Wenn Zellen nicht auf Trägern gezüchtet werden können sie 3D-Aggregate, sogenannte Sphäroide, bilden, die ihre eigene EZM absondern, um mehr die Eigenschaft von nativem festen Gewebe anzunehmen. Ein gängiges Beispiel sind Krebstumorkugeln, die die Untersuchung von Sauerstoffgradienten und des Nährstoffzugangs bei der Tumorbildung ermöglichen. Sphäroidkulturen werden häufig für das Screening von Wirkstoffen im Hochdurchsatzverfahren in der Arzneimittelentwicklung und Toxikologie bevorzugt, da Sphäroide biologisch relevantere Modelle darstellen als 2D-Kulturen. Sphäroide können in verschiedenen Umgebungen gezüchtet werden, z. B. in Mikroplatten mit geringer Anhaftung, in Bioreaktoren und in mikrofluidischen Kultursystemen. Sowohl gerüstartige als auch gerüstfreie Systeme ermöglichen die Interaktion in alle Richtungen mit dem Substrat, anderen Zellen und extrazellulären Faktoren.

Fortgeschrittene Anwendungen in der 3D-Zellkultur

Moderne 3D-Zellsysteme ermöglichen den Forschern eine Mischung aus der Zugänglichkeit klassischer 2D-Zellkulturtechniken und der biologischen Relevanz von In-vivo-Tiermodellen mit geringeren ethischen Bedenken. In jüngster Zeit wurden fortschrittliche 3D-Zellkulturmethoden wie Tumor-Sphäroide, von Stammzellen und Patienten stammende Organoide und die Gewebezüchtung durch 3D-Bioprinting mit Zellen und Biotinten eingeführt, um zelluläre Reaktionen besser in vivo zu modellieren. Aus iPS-Zellen gewonnene Organoide sind inzwischen für ausgewählte Gewebe im Handel erhältlich, wodurch die Reproduzierbarkeit erhöht und die Ergebnisse im Vergleich zu im Labor gezüchteten Organoiden beschleunigt werden.