Od 2D do 3D celičnih kultur

Tokratni Znanstveni komentar posvečamo celičnim kulturam. Beseda bo tekla o tem, kako se dvodimenzionalne in tridimenzionalne celične kulture med seboj ločijo in za kaj uporabljamo ene in druge. 

Gojenje celic v laboratoriju je danes nepogrešljiv del znanosti – uporablja se jih za citotoksične in genotoksične raziskave, za preučevanje osnovnih celičnih mehanizmov in bolezni ali celo za proizvodnjo farmacevtskih učinkovin. Izraz celična kultura pomeni gojenje rastlinskih, živalskih, lahko tudi človeških celic v kontroliranem laboratorijskem okolju. Do celic lahko pridemo z izolacijo iz tkiv ali organov, poznamo pa tudi trajne celične linije, ki so bile izolirane že pred časom in jih lahko v laboratoriju gojimo mnogo generacij. Trajne celične linije so robustnejše, bolje poznane in jih je navadno enostavneje gojiti. Ker so standardne, torej vedno enake, omogočajo primerjavo in sledljivost med različnimi raziskavami. Od tipa celic je odvisno, ali se pritrdijo na podlago – kožne celice denimo rastejo na podlagi, krvne celice pa plavajo v suspenziji. Celicam, ki jih gojimo na ploščah, pravimo 2D celične kulture. 

Čeprav veliko raziskav temelji na 2D celičnih kulturah, te navadno slabo odražajo realno fiziološko stanje, ki bi ga sicer videli v istem tipu celic v telesu. Živi organizmi so namreč tako kompleksen preplet hranil, kisika, hormonov, rastnih faktorjev in drugih dejavnikov, da se jim v laboratorijskem okolju težko približamo. Poleg tega 2D celične kulture temeljijo na tem, da se celice širijo le po površini, kar pomeni, da se med seboj stikajo le ob straneh. Takšna rast pa ni značilna za žive organizme, zato imajo te celice ogromno spremenjenih celičnih procesov. Spremeni se denimo njihova celična diferenciacija, apoptoza oziroma celična smrt, in izražanje genov ter proteinov. Poleg tega je njihova rast eksponentna, medtem ko se celice v telesu navadno ne delijo z eksponentno rastjo. Tako je veliko večja verjetnost, da pri raziskavah dobimo rezultate, ki ne odražajo realnega stanja. 

Znanost / Frequenza della scienza

Neskončno lahko življenje

Med celico in življenjem

Urša Adamič

 / 6. 4. 2016

Drugačen pristop pa predstavljajo 3D celične kulture, ki se od 2D celičnih kultur ločijo po tem, da rastejo v vse tri dimenzije, ne le po površini. Tako lahko 3D celične kulture tvorijo različne oblike – če združimo različne organsko specifične celice, lahko tvorijo celo organoide, torej skupke celic, ki po funkciji in obliki spominjajo na organe.

V raziskavi iz leta 2014 so znanstveniki primerjali jetrne celice in njihove proteome, torej celotni nabor proteinov, v 2D in 3D celičnih kulturah. Izkazalo se je, da so celice po štirinajstih dneh rasti v 3D okolju, veliko bolj aktivne kot celice v 2D kulturi. Čeprav so rasle veliko počasneje, so izražale več encimov, vpletenih v metabolizem glukoze in cikel citronske kisline, kar je neposredno povezano tudi s sintezo ATP, energijske valute celice. Nasploh so proizvajale več proteinov, prav tako pa je bilo aktivnih več encimov, vpletenih v popravljanje DNA kot pri 2D kulturah. To pomeni, da so lahko celice v 3D okolju do neke mere odpornejše na genotoksične snovi. 

Danes poznamo že zelo veliko različnih načinov gojenja 3D celičnih kultur. Ena znanih metod je gojenje v viseči kapljici, kjer se celice zaradi gravitacije posedejo in tvorijo skupke. Na podobnem principu temelji tudi priprava sferoidov v mikrotitrski plošči, pri kateri celice gojimo v luknjah iz posebne plastike, na katero se celice ne morejo pritrditi. Zato tvorijo skupke, ki jim zaradi sferične oblike pravimo sferoidi. V takšnem stanju lahko zdržijo približno do štiri dni – nato jih lahko prestavimo v vrteči se bioreaktor s tekočim gojiščem. Z vrtenjem se zmanjša vpliv gravitacije, s čimer preprečimo, da se sferoidi pritrdijo na površino – namesto tega plavajo v gojišču in počasi rastejo. Vrtenje omogoča tudi boljšo izmenjavo hranil, temperature in kisika, zato lahko sferoidi v bioreaktorjih preživijo 35 dni, morda celo več, kar nam omogoča izvajanje dolgotrajnejših raziskav – denimo raziskovanje kronične izpostavljenosti. To pri 2D celičnih kulturah ni mogoče, ker bi prehitro prerasle ploščo in bi jih morali presaditi. 

3D celične kulture lahko gojimo tudi v matriksu. To je zmes proteinov, večinoma kolagena in drugih molekul, ki celicam nudi oporo. Pri takšnem načinu gojenja lahko nadziramo obliko celičnih skupkov in prehajanje hranil ter raziskujemo interakcije med celico in matriksom. Gojenje sferoidov je dolgotrajnejše, saj rastejo veliko počasneje kot celice na plošči. Ker se ne delijo eksponentno, lahko večji del svoje energije oziroma hranil porabijo za ostale celične funkcije, namesto za rast.

Vendar pa se pri rasti sferoidov pojavi problem izmenjave hranil, odpadnih snovi in kisika. Po približno osmih dneh – odvisno od hitrosti rasti – namreč postanejo tako veliki, da snovi z difuzijo ne morejo več prehajati do sredine, kar povzroči odmiranje notranjih celic. Temu pravimo nekrotično jedro, ki sicer ni problematično za preučevanje samih sferoidov, saj so na površini sferoida še vedno funkcionalne celice. Pred analizo sferoida je treba le nekrotično jedro primerno ločiti od plasti živih celic.

V 3D celičnih kulturah lahko učinkovito gojimo tudi več celičnih tipov skupaj, čemur pravimo kokultura. 3D celične kokulture se zaradi močnih medceličnih interakcij lahko po značilnostih zelo približajo organom – tudi v organih namreč med seboj sodeluje veliko celic z različnimi funkcijami. Kokulture nudijo vpogled v celične interakcije in odzive različnih celičnih tipov na določene stresorje ali toksine, kar nam lahko ponudi veliko bolj realne rezultate, podobne odzivom dejanskih organov.

Razvoj 3D celičnih kultur bi lahko vodil do zmanjšanja testiranja na živalih. Uporabe živali pri poskusih si namreč po eni strani ne želimo zaradi krutosti, po drugi strani pa tudi zaradi visoke cene in zahtevne primerljivosti med učinkom na ljudi in glodalce, ki se jih najpogosteje uporablja pri takšnih študijah. 2D celične kulture še vedno veljajo za nekakšen zlati standard pri testiranju različnih kemikalij, čeprav ne morejo pokazati realnega stanja v telesu. Vseeno so že zelo dobro okarakterizirane in omogočajo ponovljive in standardizirane poskuse, ki so pri takšnih raziskavah nujni.

Poskusom na živalih pa se verjetno še zelo dolgo ne bomo mogli povsem izogniti, skušamo jih lahko le zmanjšati z razvojem zanesljivejših 3D-modelov. Vendarle pa so 3D celične kulture do neke mere še vedno uganka, ki jo je treba razrešiti, da jih lahko začnemo uporabljati za toksikološke študije. Moramo jih bolje okarakterizirati in raziskati optimalne pogoje gojenja, da jih lahko standardiziramo za uporabo poskusov. Poleg tega predstavljajo veliko večji finančni zalogaj kot 2D celične kulture, hkrati pa so tudi zahtevnejše za gojenje.

Nedvomno je to izjemno zanimivo področje, ki se hitro razvija za najrazličnejše uporabe. Vsak dan lahko beremo o novih raziskavah, pri katerih so vzgojili nove možganske, jetrne, srčne ali ledvične organoide. Z razvojem 3D celičnih kultur se bo lahko izboljšala uporaba matičnih celic pri regenerativni medicini, morda celo umetna izdelava celotnih organov iz matičnih celic. Možnosti je neskončno – vendar s kompleksnimi sistemi, kar 3D celične kulture gotovo so, pridejo tudi zahtevni izzivi.

3D celične kulture je komentirala Dora.

Vir slike: osebni arhiv - na sliki je 3D kokultura hepatocit in Ito celic. Z zeleno je obarvan citoskelet, ki je prisoten le v živih celicah - v notranjih celicah ga ni, ker so mrtve in tvorijo nekrotično jedro.