Era dwuwymiarowych hodowli komórkowych dobiega końca. Wytworzone trójwymiarowe kultury znacznie dokładniej symulują zachowanie komórek in vivo, dzięki czemu posiadają dużą wartość naukową i badawczą. Te innowacyjne modele otwierają nowe możliwości w obszarze badań nad chorobami i rozwojem leków. Aby to jednak osiągnąć, niezbędne jest zastosowanie odpowiednich narzędzi w postaci innowacyjnych technologii oraz zaawansowanych urządzeń.

Nowy rozdział w hodowli komórek 3D

Technologie 3D coraz bardziej wypierają te tradycyjne – 2D. Niewątpliwie to przejście jest efektem postępu technologicznego. W dynamicznie rozwijającym się świecie biotechnologii oraz farmacji to właśnie nowe urządzenia i technologie usprawniają procesy, a także otwierają drzwi do kolejnych odkryć. Prezentowany poniżej krótki przegląd skupia się na przykładach, które w znaczący sposób wpływają na transformację hodowli komórek 3D.

Biodrukowanie 3D

W tym przypadku mówimy o technologii, w której struktury trójwymiarowe są drukowane warstwa po warstwie. Najważniejszy w biodrukowaniu 3D jest „biotusz”. Tworzy go mieszanina żywych komórek i odpowiednich biomateriałów, takich jak hydrożele czy kolagen, których zadaniem jest zapewnienie właściwego środowiska dla komórek. Model 3D jest w początkowej fazie projektowany z wykorzystaniem dedykowanego oprogramowania, a następnie drukowany.

Firma Inventia Life Science niedawno wprowadziła na rynek platformę RASTRUM^TM Allegro. Wykorzystuje ona technologię drop-on-demand pozwalającą na precyzyjne nadrukowywanie komórek i biomateriałów na płytki wielodołkowe. Tworzenie modeli 3D z wykorzystaniem RASTRUM^TM Allegro odbywa się w kilku etapach.

1) Wybór matrycy, na której powstaną modele komórek – odpowiednio dobrana pozwala odtworzyć mikrośrodowisko tkanek, a także dostosować je do przeprowadzanych badań.

2) Selekcja struktury komórkowej spośród dostępnych opcji.

3) Wstępne przygotowanie komórek.

4) Drukowanie struktur 3D na płytkach wielodołkowych.

5) Produktem końcowym jest całkowicie zadrukowana płytka wielodołkowa do hodowli, gdzie – zgodnie z zapewnieniami producenta – 96-dołkową płytkę platforma tworzy w 6 minut, a 384-dołkową – w 9 minut.

Niezwykle interesujące jest, że niedawny rozwój technologii biodrukowania 3D doprowadził do stworzenia biodrukowania 4D, które reprezentuje następną generację biomateriałów. Materiały te zdolne są do zmiany swojego kształtu, właściwości oraz funkcji w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne, takie jak ciepło, zmiany pH, światło czy wilgotność. W tym procesie stosuje się bogaty asortyment inteligentnych polimerów i materiałów, m.in. hydrożele wrażliwe na żelazo, glikol polietylenowy, który reaguje na wahania temperatury lub specjalny tusz zawierający polimer poli(kwasu mlekowego) zmieniający kształt pod wpływem pola magnetycznego.

Systemy mikroprzepływowe

Systemy mikroprzepływowe zapewniają wszechstronną platformę do hodowli komórek 3D i późniejszych, bardziej skomplikowanych testów opartych na komórkach. Składają się z układu mikrokanalików i mikrozaworów, za pomocą których precyzyjnie można dostarczać płyny, substancje odżywcze oraz tlen – niezbędne do prawidłowego wzrostu komórek. Ich zadaniem jest także usuwanie wszelkich produktów metabolizmu. Złożone mikrostruktury oraz precyzyjna kontrola mikrośrodowiska umożliwiają wierne odwzorowanie warunków in vivo. Systemy mikroprzepływowe są często wykorzystywane do tworzenia trójwymiarowych struktur komórkowych, takich jak sferoidy i organoidy. Stanowią też ważny element układów organ-on-a-chip, które naśladują funkcje ludzkich organów.

Mikroskopia konfokalna

Choć mikroskopia konfokalna nie znajduje bezpośredniego zastosowania w hodowli komórek, pozostaje niezastąpionym narzędziem w dziedzinie obrazowania pozyskanych struktur. Mimo że technika ta została wprowadzona ponad cztery dekady temu, obecny postęp technologiczny pozwala na jej optymalne wykorzystanie. Mikroskopia konfokalna to potężne narzędzie, które można użyć do tworzenia wysokiej jakości obrazów trójwymiarowych struktur komórkowych i badania dynamiki procesów, jakim podlegają. Światło lasera oświetla punktowo badany materiał i wzbudza do emisji zawarte w próbce fluorofory. Mikroskop konfokalny umożliwia rejestrowanie fluorescencji pochodzącej z wybranej płaszczyzny, jednocześnie ograniczając światło pochodzące spoza płaszczyzny ogniskowej. Dzięki temu zrekonstruowane obrazy w poszczególnych punktów prezentują wartościowy, trójwymiarowy obraz badanych komórek.