El cultivo celular hace referencia a todas las técnicas de laboratorio que permiten el crecimiento de células en un entorno artificial, bajo condiciones fisiológicas controladas. Durante décadas, la investigación in vitro se ha asociado con monocapas bidimensionales y frascos de cultivo celular. Si bien esto ha permitido avances significativos en muchos campos, desde la comprensión de los mecanismos celulares hasta el desarrollo de fármacos, presenta importantes limitaciones. La primera de ellas es que nuestro cuerpo no está organizado en dos dimensiones. En respuesta a estas limitaciones, los científicos han desarrollado enfoques innovadores para cultivar células en tres dimensiones. La última década ha traído consigo una serie de innovaciones en biotecnología para pasar del cultivo celular bidimensional al tridimensional, como microplacas de esferoides o la bioimpresión.
En este artículo analizaremos en qué consiste el cultivo celular en 3D y cómo sus ventajas y limitaciones pueden influir en numerosos campos de investigación.
Índice
Cultivo celular en 3D: definición y aplicaciones
El cultivo celular en 3D se ha definido como «un cultivo celular capaz de imitar la organización y la microarquitectura de un órgano vivo» (4. Huh et al., 2011). En otras palabras, se trata de la capacidad de mantener las células en espacios artificiales donde puedan crecer e interactuar con su entorno en las tres dimensiones. Esto permite imitar mejor el entorno real —es decir, el cuerpo humano— de los órganos estudiados. Además, este entorno artificial puede adaptarse en cuanto a forma, material o incluso composición química para imitar este entorno in vivo de la forma más fisiológica posible.
««Cultivo celular en 3D»» es un término general que se utiliza para describir varias técnicas y métodos:
El uso de andamios, ya sean sintéticos (fabricados con cerámica o polímeros, por ejemplo) o naturales, como los componentes extracelulares y hidrogeles , para recrear el entorno de un órgano tanto desde el punto de vista mecánico como biológico;
Los biorreactores, que permiten el cultivo a gran escala de muchos tipos de células, en un entorno altamente controlado y con una regulación precisa de los parámetros de cultivo;
Los «órganos en chip», que presentan varias cámaras o canales conectados entre sí para el cocultivo de diferentes tipos de células, han abierto el camino hacia el estudio de las interacciones entre órganos, las funciones secretoras y el cultivo celular dinámico;
Organoides, que reproducen la arquitectura tridimensional de los diferentes tipos de células que componen un órgano y permiten comprender mejor el desarrollo y la regeneración de los órganos, así como el estudio de los tumores.
Bioimpresión, que utiliza bioentintados para recrear estructuras en 3D, desde andamios hasta órganos.
Históricamente, la necesidad de contar con modelos in vitro en 3D fue en aumento debido a las restricciones en el uso de animales en la investigación y al número de directivas nacionales e internacionales destinadas a desarrollar métodos que no requirieran el uso de animales, tanto para la investigación farmacéutica como para la cosmética. Estas restricciones se basaban en argumentos éticos (el sufrimiento causado a los animales) y biológicos (la falta de extrapolación de los resultados de los animales a los seres humanos).
El cultivo celular en 3D puede utilizarse en todas las aplicaciones en las que se emplea el cultivo celular en 2D, e incluso en más, ya que aporta un grado adicional de complejidad que permite comprender mejor el comportamiento y los mecanismos celulares. Entre sus aplicaciones se incluyen: el descubrimiento de fármacos y el metabolismo de los mismos, el desarrollo de tejidos, la investigación sobre el cáncer y muchas otras.
¿Por qué es mejor el cultivo celular en 3D que el cultivo celular en 2D?
El interés y la necesidad de aplicar técnicas de cultivo celular en 3D en numerosos proyectos de investigación han ido en aumento en los últimos años debido a las numerosas ventajas asociadas a esta innovación. La posibilidad de crecer en las tres dimensiones e interactuar con un entorno fisiológico tiene, sin duda, importantes repercusiones positivas para las células en comparación con el cultivo en 2D, sobre una superficie plástica rígida.
En cultivos celulares tridimensionales:
- La morfología celular es más natural y se asemeja más a la del entorno in vivo;
- La extensión celular se ve limitada por restricciones estéricas y la proliferación celular se ralentiza en comparación con el entorno bidimensional, donde la tasa de proliferación es mucho mayor que la observada in vivo.
- Se establece la polaridad celular natural, lo que garantiza un comportamiento más fisiológico de las células.
- Se favorecen interacciones célula-célula y célula-matriz más realistas, lo que reproduce de forma más fisiológica el intercambio de señales mecánicas, biológicas y químicas.
- El acceso a los nutrientes, incluido el oxígeno, también se ve modificado y resulta más realista en los cultivos tridimensionales, ya que las células están expuestas a gradientes espaciotemporales y no todas las células reciben la misma cantidad de cada nutriente al mismo tiempo, como ocurre en los cultivos bidimensionales.
En resumen, las células cultivadas en 3D presentan muchas más similitudes con las células in vivo en cuanto a su estructura y, por lo tanto, en cuanto a sus funciones. Se ha demostrado que todos los parámetros mencionados anteriormente son reguladores importantes de los patrones de expresión génica. Por lo tanto, en un entorno más fisiológico, las células también deberían comportarse de forma más fisiológica que en un cultivo celular en 2D. Se espera que el efecto observado de los fármacos y las moléculas en estos modelos se acerque más a lo que ocurre en el organismo, lo que aumentaría la previsibilidad de la eficacia y la toxicidad de los fármacos de nuevo desarrollo y mejoraría el éxito de la transición de los estudios preclínicos a los clínicos.
¿Cuáles son los problemas del cultivo celular en 3D?
A pesar de las numerosas ventajas del cultivo celular en 3D que se han comentado anteriormente, este también presenta algunas limitaciones, que, aunque pueden superarse, es importante tener en cuenta a la hora de plantearse pasar del cultivo celular en 2D al 3D.
- Debido a la mayor complejidad inherente a la estructura tridimensional, la configuración de esos modelos suele requerir más experiencia y formación, así como conocimientos técnicos. Al principio, puede resultar complicado y llevar mucho tiempo encontrar todos los elementos y las condiciones experimentales adecuadas, así como adaptarse a los nuevos protocolos y técnicas.
- Por el momento, al tratarse de un campo totalmente nuevo, existe una falta generalizada de estandarización y de protocolos comunes. Puede resultar difícil encontrar directrices para principiantes y reproducir y comparar los resultados con facilidad. No obstante, esta cuestión de la estandarización ocupa un lugar central en muchos debates con los principales actores del sector.
- En general, los modelos 3D resultan más caros de poner en marcha y mantener. Estos modelos pueden requerir el cambio a nuevos consumibles de laboratorio, como hidrogeles, andamios y material de plástico, y, en última instancia, a nuevos equipos, especialmente en lo que se refiere a la obtención de imágenes.
- Es cierto que la obtención de imágenes puede resultar complicada, ya que es más difícil observar las células en el interior de una estructura tridimensional que en una monocapa. Por lo tanto, añadir una dimensión a la adquisición de imágenes puede requerir conocimientos especializados, formación y una posible inversión en el equipo adecuado.
- En comparación con los frascos de cultivo clásicos que se utilizan en el cultivo 2D, que contienen millones de células, la ampliación delos modelos 3D recientemente desarrollados para estudios a gran escala puede suponer un reto debido a la complejidad de los modelos y a las plataformas disponibles en la actualidad.
En definitiva, el cultivo celular en 3D parece ser el siguiente paso lógico para todos los investigadores que intentan desentrañar los mecanismos que subyacen al desarrollo de los órganos, los procesos biológicos, la fisiopatología de las enfermedades o la eficacia y la toxicología de los fármacos. Este campo avanza a gran velocidad y se están desarrollando numerosas tecnologías para ayudar a los investigadores que se suman a la tendencia hacia los modelos en 3D.
Fuentes:
- Cacciamali, A.; Villa, R.; Dotti, S.«Cultivos celulares en 3D: la evolución de una herramienta ancestral para nuevas aplicaciones».Front Physiol. 22 de julio de 2022; 13:836480. doi: 10.3389/fphys.2022.836480. PMID: 35936888; PMCID: PMC9353320.
- Jensen, C.; Teng, Y.«¿Es hora de empezar a pasar del cultivo celular en 2D al 3D?».Front Mol Biosci. 6 de marzo de 2020; 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.Del cultivo celular en 3D a los «órganos en chip».Trends Cell Biol. Dic. de 2011; 21(12):745-54. doi: 10.1016/j.tcb.2011.09.005. Publicación electrónica: 25 de octubre de 2011. PMID: 22033488; PMCID: PMC4386065.
Esferoides y organoides 3D en cultivos celulares: las principales diferencias
[…] En el dinámico panorama de la investigación biomédica, la llegada de los cultivos celulares tridimensionales (3D) ha revolucionado nuestra capacidad para estudiar sistemas biológicos complejos fuera del cuerpo humano. A diferencia de los cultivos bidimensionales (2D) tradicionales, que simplifican en exceso las interacciones celulares, los cultivos 3D, como los esferoides y los organoides, imitan con mayor precisión la intrincada estructura y función de los tejidos y órganos. Este avance es crucial para obtener una comprensión más profunda de los procesos biológicos fundamentales, los mecanismos de las enfermedades y las respuestas a los fármacos en un contexto más relevante desde el punto de vista fisiológico. En la última década, los científicos han desarrollado soluciones innovadoras para cultivar células en 3D. […]