Der Begriff Zellkultur umfasst sämtliche实验室techniken (Laborverfahren), die das Wachstum von Zellen in einer künstlichen Umgebung unter physiologisch kontrollierten Bedingungen ermöglichen. Die in vitro-Forschung wurde jahrzehntelang mit zweidimensionalen Monoschichten (Monolayern) und Zellkulturflaschen assoziiert. Dies hat zwar in vielen Bereichen – vom Verständnis zellulärer Mechanismen bis hin zur Medikamentenentwicklung – zu signifikanten Fortschritten geführt, weist jedoch wesentliche Einschränkungen auf. Der erste Punkt ist, dass unser Körper nicht in 2D organisiert ist. Als Reaktion auf diese Grenzen haben Wissenschaftler innovative Ansätze entwickelt, um Zellen in drei Dimensionen zu kultivieren. Das vergangene Jahrzehnt brachte zahlreiche Innovationen in der Biotechnologie hervor, um den Übergang von der 2D- zur 3D-Zellkultur zu vollziehen, wie etwa Sphäroid-Mikroplatten oder den Biodruck.
Im Folgenden erörtern wir, was eine 3D-Zellkultur ist und wie sich ihre Vor- und Nachteile auf zahlreiche Forschungsbereiche auswirken können.
Inhaltsverzeichnis
3D-Zellkultur – Definition und Anwendung
Die 3D-Zellkultur wurde definiert als „eine Zellkultur, die die Organisation und Mikroarchitektur eines lebenden Organs nachahmen kann“ (4. Huh et al., 2011). Mit anderen Worten handelt es sich um die Fähigkeit, Zellen in künstlichen Räumen zu halten, in denen sie in allen drei Dimensionen wachsen und mit ihrer Umgebung interagieren können. Dies ermöglicht eine bessere Nachbildung der realen Umgebung, d. h. des menschlichen Körpers, der untersuchten Organe. Darüber hinaus lässt sich diese künstliche Umgebung hinsichtlich Form, Material oder auch chemischer Zusammensetzung anpassen, um dieses In-vivo-Milieu so physiologisch wie möglich zu imitieren.
„3D-Zellkultur“ ist ein allgemeiner Begriff zur Beschreibung verschiedener Techniken und Methoden:
Die Verwendung von Scaffolds (Gerüststrukturen), unabhängig davon, ob diese synthetisch (z. B. aus Keramik oder Polymeren) oder natürlich sind – wie extrazelluläre Komponenten und Hydrogele –, um die Umgebung eines Organs sowohl mechanisch als auch biologisch nachzubilden;
Bioreaktoren, die eine groß angelegte Kultivierung vieler Zelltypen in einer hochgradig kontrollierten Umgebung und mit präziser Regelung der Kulturparameter ermöglichen;
Organ-on-Chips, die mehrere miteinander verbundene Kammern/Kanäle zur Co-Kultivierung verschiedener Zelltypen aufweisen, haben den Weg für die Untersuchung von Organ-Cross-Talks, sekretorischen Funktionen und der dynamischen Zellkultivierung geebnet;
Organoids, die die 3D-Architektur der verschiedenen Zelltypen eines Organs nachbilden und ein besseres Verständnis der Organentwicklung und -regeneration sowie die Erforschung von Tumoren ermöglichen.
Bioprinting, bei dem Bioinks verwendet werden, um 3D-Strukturen von Scaffolds bis hin zu Organen zu erzeugen.
Historisch gesehen wuchs der Bedarf an in-vitro-3D-Modellen mit den Einschränkungen der Tierversuche in der Forschung und der Zunahme nationaler oder internationaler Richtlinien zur Entwicklung tierfreier Methoden für die pharmazeutische und kosmetische Forschung. Diese Einschränkungen ergaben sich aus ethischen (den Tieren zugefügtes Leid) und biologischen (mangelnde Übertragbarkeit von Tieren auf den Menschen) Argumenten.
Die 3D-Zellkultur kann für alle Anwendungen eingesetzt werden, für die auch die 2D-Zellkultur verwendet wird, und bietet darüber hinaus einen zusätzlichen Komplexitätsgrad, um ein tieferes Verständnis des Zellverhaltens und der zugrundeliegenden Mechanismen zu erlangen. Zu den Anwendungen gehören: Wirkstoffforschung und Arzneimittelstoffwechsel, Gewebeentwicklung, Krebsforschung und viele andere.
Warum ist die 3D-Zellkultur der 2D-Zellkultur überlegen?
Der Wunsch und die Notwendigkeit, 3D-Zellkulturtechniken in zahlreiche Forschungsprojekte zu integrieren, sind in den letzten Jahren aufgrund der zahlreichen Vorteile dieser Innovation kontinuierlich gewachsen. Die Möglichkeit, in allen drei Dimensionen zu wachsen und mit einer physiologischen Umgebung zu interagieren, hat im Vergleich zum Wachstum in 2D auf einer starren Kunststoffoberfläche tatsächlich erhebliche positive Auswirkungen auf die Zellen.
In 3D-Zellkulturen:
- Die Zellmorphologie ist natürlicher und ähnelt stärker der in-vivo-Umgebung;
- Die Zellausbreitung ist sterisch eingeschränkt und die Zellproliferation ist im Vergleich zu 2D verlangsamt, wo die Proliferationsrate deutlich höher ist als in vivo
- Es bildet sich eine natürliche Zellpolarität aus, die ein physiologischeres Verhalten der Zellen gewährleistet.
- Realistischere Zell-Zell- und Zell-Matrix-Interaktionen werden gefördert, wodurch der Austausch mechanischer, biologischer und chemischer Signale physiologischer nachgebildet wird.
- Auch die Nährstoffversorgung, einschließlich Sauerstoff, ist verändert und in 3D-Kulturen realistischer, da die Zellen spatiotemporalen Gradienten ausgesetzt sind und nicht alle Zellen zur gleichen Zeit die gleiche Menge jedes Nährstoffs erhalten wie in 2D.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in 3D kultivierte Zellen in Bezug auf Struktur und damit auch in Bezug auf Funktionen viel mehr Ähnlichkeiten mit in-vivo-Zellen aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass alle oben aufgeführten Parameter wichtige Regulatoren von Genexpressionsmustern sind. Daher sollten sich die Zellen in einer physiologischeren Umgebung auch physiologischer verhalten als in der 2D-Zellkultur. Es ist zu erwarten, dass die beobachtete Wirkung von Wirkstoffen und Molekülen auf diese Modelle näher an den Vorgängen im Körper liegt, wodurch die Vorhersagbarkeit von Wirksamkeit und Toxizität neu entwickelter Medikamente erhöht und der Erfolg der Translation von präklinischen zu klinischen Studien verbessert wird.
Welche Probleme gibt es bei der 3D-Zellkultur?
Trotz der zahlreichen bereits erwähnten Vorteile der 3D-Zellkultur geht diese auch mit einigen Einschränkungen einher, die zwar überwunden werden können, die man sich jedoch bei der Überlegung, von der 2D- zur 3D-Zellkultur zu wechseln, vor Augen führen sollte.
- Aufgrund der der 3D-Struktur innewohnenden erhöhten Komplexität erfordert die Einrichtung dieser Modelle in der Regel mehr Expertise, Schulung und technisches Know-how. Es kann anfangs eine Herausforderung und zeitaufwendig sein, alle richtigen Elemente und experimentellen Bedingungen zu finden sowie auf neue Protokolle und Techniken umzustellen.
- Da es sich hierbei um ein völlig neues Feld handelt, mangelt es derzeit global an Standardisierung und einheitlichen Protokollen. Es kann schwierig sein, Richtlinien für Einsteiger zu finden und Ergebnisse problemlos zu reproduzieren sowie zu vergleichen. Diese Frage der Standardisierung steht jedoch im Mittelpunkt vieler Diskussionen mit den Akteuren der Branche.
- Insgesamt sind 3D-Modelle in der Anschaffung und Instandhaltung teurer. Diese Modelle erfordern möglicherweise die Umstellung auf neue Laborverbrauchsmaterialien wie Hydrogele, Scaffolds und Kunststoffe sowie auf entsprechende Geräte, insbesondere im Bereich der Bildgebung.
- Die Bildgebung kann sich in der Tat als schwierig erweisen, da es komplexer ist, Zellen im Inneren einer 3D-Struktur zu visualisieren als auf einem Monolayer. Das Hinzufügen einer Dimension bei der Bildaufnahme erfordert daher Fachwissen, Schulung und möglicherweise Investitionen in geeignete Geräte.
- Im Vergleich zu klassischen Kulturkolben in der 2D-Kultur, die Millionen von Zellen enthalten, kann das Upscaling neu entwickelter 3D-Modelle für groß angelegte Studien aufgrund der Komplexität der Modelle und der derzeit verfügbaren Plattformen eine Herausforderung darstellen.
Letztlich scheint die 3D-Zellkultur der logische nächste Schritt für alle Forschenden zu sein, die die Mechanismen hinter Organentwicklung, biologischen Prozessen, der Pathophysiologie von Krankheiten oder der Arzneimittelwirksamkeit bzw. -toxikologie entschlüsseln wollen. Das Forschungsfeld entwickelt sich rasant, und es werden zahlreiche Technologien entwickelt, die Forschenden dabei helfen, den Schritt hin zu 3D-Modellen zu gehen.
Quellen:
- Cacciamali A, Villa R, Dotti S. 3D Cell Cultures: Evolution of an Ancient Tool for New Applications. Front Physiol. 2022 Jul 22;13:836480. doi: 10.3389/fphys.2022.836480. PMID: 35936888; PMCID: PMC9353320.
- Jensen C, Teng Y. Is It Time to Start Transitioning From 2D to 3D Cell Culture? Front Mol Biosci. 2020 Mar 6;7:33. doi: 10.3389/fmolb.2020.00033. PMID: 32211418; PMCID: PMC7067892.
- https://www.upmbiomedicals.com/resource-center/learning-center/what-is-3d-cell-culture/2d-versus-3d-cell-culture/
- Huh D, Hamilton GA, Ingber DE. From 3D cell culture to organs-on-chips. Trends Cell Biol. 2011 Dec;21(12):745-54. doi: 10.1016/j.tcb.2011.09.005. Epub 2011 Oct 25. PMID: 22033488; PMCID: PMC4386065.
Sphäroide und 3D-Organoid-Zellkulturen: Die wesentlichen Unterschiede
[…] In der dynamischen Forschungslandschaft der Biomedizin hat die Entwicklung dreidimensionaler (3D-)Zellkulturen unsere Möglichkeiten zur Untersuchung komplexer biologischer Systeme außerhalb des menschlichen Körpers revolutioniert. Im Gegensatz zu herkömmlichen zweidimensionalen (2D-)Kulturen, die zelluläre Wechselwirkungen stark vereinfachen, bilden 3D-Kulturen wie Sphäroide und Organoide die komplexe Struktur und Funktion von Geweben und Organen wesentlich präziser nach. Dieser Fortschritt ist von entscheidender Bedeutung, um tiefere Einblicke in grundlegende biologische Prozesse, Krankheitsmechanismen und Wirkstoffreaktionen in einem physiologisch relevanteren Kontext zu gewinnen. Im vergangenen Jahrzehnt haben Wissenschaftler innovative Lösungen zur Kultivierung von Zellen in 3D entwickelt. […]