Celkweek verwijst naar alle laboratoriumtechnieken die de groei van cellen in een kunstmatige omgeving mogelijk maken, onder fysiologisch gecontroleerde omstandigheden. In vitro onderzoek wordt al decenniaassocieerd met 2D-monolagen en celkweekflasken. Hoewel dit aanzienlijke vooruitgang mogelijk heeft gemaakt op vele gebieden, van het begrijpen van cellulaire mechanismen tot geneesmiddelontwikkeling, brengt het belangrijke beperkingen met zich mee. De belangrijkste hiervan is dat ons lichaam niet in 2D is georganiseerd. Als reactie op deze beperkingen hebben wetenschappers innovatieve benaderingen ontwikkeld om cellen in drie dimensies te kweken. Het afgelopen decennium heeft zijn deel van de biotechnologische innovaties gebracht om over te stappen van 2D- naar 3D-celkweek, zoals sferoïden-microplaten of bioprinten.
Hier bespreken we wat 3D-celkweek is en hoe de voordelen en beperkingen ervan invloed kunnen hebben op vele onderzoeksgebieden.
Inhoudsopgave
3D-celkweek - Definitie en toepassing
3D-celkweek is gedefinieerd als “een celkweek die de organisatie en microarchitectuur van een levend orgaan kan imiteren” (4. Huh et al., 2011). Met andere woorden, het is het vermogen om cellen in stand te houden in kunstmatige ruimten waar ze kunnen groeien en in alle drie de dimensies kunnen wisselwerkingen kunnen aangaan met hun omgeving. Dit zorgt voor een betere nabootsting van de echte omgeving, d.w.z. het menselijk lichaam, van de bestudeerde organen. Bovendien kan deze kunstmatige omgeving worden aangepast qua vorm, materiaal of zelfs chemische samenstelling om deze in vivo omgeving zo fysiologisch mogelijk na te bootsen.
‘3D-celkweek’ is een algemene term die wordt gebruikt om verschillende technieken en methoden te beschrijven:
Het gebruik van scaffolds, hetzij synthetisch (gemaakt van bijvoorbeeld keramiek of polymeren) of natuurlijk zoals extracellulaire componenten en hydrogels om de omgeving van een orgaan zowel mechanisch als biologisch na te bootsen;
Bioreactoren, die grootschalige kweek van vele celtypen mogelijk maken in een sterk gecontroleerde omgeving en met nauwkeurige regulatie van de kweekparameters;
Organ-on-chips, voorzien van meerdere met elkaar verbonden kamers en kanalen om verschillende celtypen te co-cultiveren, hebben de weg vrijgemaakt voor de studie van orgaaninteracties, secretoire functies en dynamische celkweek;
Organoïden, die de 3D-architectuur nabootsen van de verschillende celtypen waaruit een orgaan is opgebouwd, waardoor orgaanontwikkeling en -regeneratie beter kunnen worden begrepen en tumoren kunnen worden bestudeerd.
Bioprinting, waarbij bio-inkten worden gebruikt om 3D-structuren te creëren, variërend van scaffolds tot volledige organen.
Historisch gezien nam de behoefte aan 3D in vitro-modellen toe door beperkingen op het gebruik van proefdieren in onderzoek en het toenemende aantal nationale en internationale richtlijnen om diervrije methoden te ontwikkelen voor zowel farmaceutisch als cosmetisch onderzoek. Deze beperkingen vloeiden voort uit ethische argumenten (het dierenleed) en biologische argumenten (de gebrek aan transleerbaarheid van dier naar mens).
3D-celkweek kan worden toegepast in alle toepassingen waar ook 2D-celkweek voor wordt gebruikt, en biedt daarnaast een extra complexiteitsgraad voor diepgaander inzicht in celgedrag en onderliggende mechanismen. De toepassingen omvatten onder meer drug discovery en -metabolisme, weefselontwikkeling en kankeronderzoek.
Waarom is een 3D-celkweek beter dan een 2D-celkweek?
De wens en de noodzaak om 3D-celkweektechnieken te implementeren in tal van onderzoeksprojecten is de afgelopen jaren gegroeid vanwege de talloze voordelen die aan deze innovatie verbonden zijn. De mogelijkheid om in alle drie de dimensies te groeien en in een fysiologische omgeving te interageren heeft immers grote positieve implicaties voor cellen in vergelijking met groei in 2D, op een stijf plastic oppervlak.
In 3D-celkweken:
- Celmorfologie is natuurlijker en lijkt sterker op die van een in vivo omgeving;
- Celspreiding wordt sterisch beperkt en cellulaire proliferatie wordt vertraagd in vergelijking met 2D, waar de proliferatiesnelheid aanzienlijk hoger is dan wat in vivo wordt waargenomen
- Er wordt een natuurlijke celpolariteit tot stand gebracht, wat zorgt voor een meer fysiologisch gedrag van de cellen.
- Realistischere cel-cel- en cel-matrixinteracties worden gestimuleerd, waarmee de uitwisseling van mechanische, biologische en chemische signalen op een meer fysiologische manier wordt nagebootst.
- De toegang tot voedingsstoffen, waaronder zuurstof, is eveneens gewijzigd en realistischer in 3D-kweken, aangezien cellen worden blootgesteld aan spatiotemporele gradiënten en niet alle cellen tegelijkertijd aan dezelfde hoeveelheid van elke voedingsstof worden blootgesteld, zoals in 2D het geval is.
Kort samengevat vertonen cellen die in 3D zijn gekweekt veel meer overeenkomsten met in vivo cellen wat betreft structuur en daardoor ook wat betreft functies. Er is aangetoond dat alle hierboven vermelde parameters belangrijke regulatoren zijn van genexpressiepatronen. Dankzij een meer fysiologische omgeving behoren cellen zich derhalve ook fysiologischer te gedragen dan in een 2D-celkweek. De verwachting is dat het waargenomen effect van geneesmiddelen en moleculen op deze modellen dichter in de buurt komt van wat er in het lichaam gebeurt, wat de voorspelbaarheid van de werkzaamheid en toxiciteit van nieuw ontwikkelde geneesmiddelen vergroot en het succes van de translatie van preklinische naar klinische studies verbetert.
Wat zijn de problemen bij een 3D-celkweek?
Ondanks de talloze voordelen van 3D-celkweek zoals hierboven besproken, brengt deze methode ook bepaalde beperkingen met zich mee. Deze kunnen worden overwonnen, maar het is belangrijk om hier rekening mee te houden bij de overstap van een 2D- naar een 3D-celkweek.
- Vanwege de toegenomen complexiteit die inherent is aan de 3D-structuur, vereist het opzetten van dergelijke modellen doorgaans meer expertise, training en techniciteit. Het kan in eerste instantie een uitdaging en tijdrovend zijn om de juiste elementen en experimentele omstandigheden te vinden en over te stappen op nieuwe protocollen en technieken.
- Aangezien dit momenteel een gloednieuw vakgebied is, is er wereldwijd een gebrek aan standaardisatie en gemeenschappelijke protocollen. Het kan lastig zijn om richtlijnen te vinden voor beginners en om resultaten gemakkelijk te reproduceren en te vergelijken. Deze kwestie van standaardisatie staat echter centraal in veel discussies met belangrijke actoren in het veld.
- Over het algemeen zijn 3D-modellen duurder om op te zetten en te onderhouden. Deze modellen kunnen een overstap vereisen naar nieuwe laboratoriumverbruiksartikelen, zoals hydrogels, scaffolds en plasticware, en mogelijk ook naar nieuwe apparatuur, met name op het gebied van beeldvorming.
- Beeldvorming kan inderdaad lastig zijn, aangezien het moeilijker is om cellen binnen een 3D-structuur te visualiseren dan in een monolaag. Het toevoegen van een dimensie aan beeldverwerving kan derhalve expertise, training en een potentiële investering in geschikte apparatuur vereisen.
- In vergelijking met klassieke kweekkolven die worden gebruikt in 2D-kweken en miljoenen cellen bevatten, kan het opschalen van nieuw ontwikkelde 3D-modellen voor grootschalige studies een uitdaging vormen vanwege de complexiteit van de modellen en de huidige beschikbare platformen.
Uiteindelijk lijkt de 3D-celkweek de logische volgende stap voor alle onderzoekers die de mechanismen achter orgaanontwikkeling, biologische processen, ziektefysiopathologie of de werkzaamheid en toxiciteit van geneesmiddelen proberen te ontrafelen. Het vakgebied is volop in beweging en er worden tal van technologieën ontwikkeld om onderzoekers te ondersteunen bij de overstap naar 3D-modellen.
Bronnen:
- 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.
Sferöïden en 3D-organoïde celkweken: de belangrijkste verschillen
[…] In het dynamische landschap van biomedisch onderzoek heeft de komst van driedimensionale (3D) celkweken ons vermogen om complexe biologische systemen buiten het menselijk lichaam te bestuderen radicaal veranderd. In tegenstelling tot traditionele tweedimensionale (2D) kweken, die cellulaire interactie te simpel weergeven, bootsen 3D-kweken zoals sferoïden en organoïden de ingewikkelde structuur en functie van weeëfsels en organen nauwkeuriger na. Deze vooruitgang is cruciaal om diepgaander inzicht te krijgen in fundamentele biologische processen, ziektemechanismen en geneesmiddelresponsen in een meer fysiologisch relevante context. In het afgelopen decennium hebben wetenschappers innovatieve oplossingen ontwikkeld om cellen in 3D te kweken. […]