Trójwymiarowe hodowle komórkowe
Kasia Kuleszewicz | 2007-09-25
Dotychczas powszechnie używane szalki Petriego i butelki do hodowli kultur komórkowych mają szansę być zastąpione trójwymiarowymi rusztowaniami na których będą hodowane komórki. Tak wyhodowane komórki są bardziej podobne do tych występujących in vivo. Jest to ogromny krok naprzód kierunku tworzenia bardziej skutecznych leków.
W organizmie człowieka, komórki są przyczepione do licznych powierzchni i wspomagane przez inne komórki, struktury i białka. Normalnym otoczeniem komórki jest zatem złożona sieć małych włókien, przerw i porów wypełnionych tlenem, hormonami i składnikami odżywczymi. Komórki poruszają się w ich naturalnym środowisku w odpowiedzi na bodźce i sygnały chemiczne. Całość stanowi bardzo skomplikowane trójwymiarowe środowisko.
Obecnie, większość leków testowanych jest na komórkach wyhodowanych w kulturach dwuwymiarowych, czyli na szalkach Petriego czy w specjalnych butelkach do hodowli komórkowych. Wiadomym jest jednak, że komórki hodowane na płaskich powierzchniach mają zmieniony metabolizm, ekspresję genów i wzrost. Jednak ze względu na brak alternatyw dotychczasowe badania były prowadzone głównie na nich. Testy pokazują, że struktura i właściwości komórek wyhodowanych w trójwymiarowych warunkach są najbardziej podobne do na przykład komórek wątrobowych występujących in vivo w organizmie człowieka. Analiza mikroskopowa komórek hodowanych w dwuwymiarowych kulturach wykazała, że są one zdezorganizowane.
Badania nad konstrukcjami pozwalającymi na hodowle komórek w formach trójwymiarowych trwają już ponad 30 lat. Przez ten czas testowano dziesiątki polimerowyh biomateriałów, które pozwoliłyby na wytworzenie trójwymiarowego mikrośrodowiska.
Naukowcy z Durham University w Anglii opracowali unikalną technologię hodowli komórek macierzystych a także niektórych tkanek, która imituje warunki występujące w żywych organizmach. Badania pokazujące efektywność użycia tej technologii zostały opublikowane w najnowszym wydaniu magazynu the Journal of Anatomy.
Nowoopracowana technologia jest tania i prosta w użyciu. A korzyści z jej stosowania to miedzy innymi bardziej efektywne projektowanie leków i redukcja testów wykonywanych na zwierzętach.
Duża część leków wycofywana jest z powodu nieprawidłowości w ich działaniu na etapie testowania. Oprócz ogromnych kosztów, sięgających miliony funtów rocznie idzie za tym także stracona szansa wykorzystania potencjalnie użytecznych substancji.
Badania przeprowadzone przez naukowców z Durham wykorzystywały toksyczne działanie leku przeciwnowotworowego Metoreksat (MTX) na komórki wątroby. Komórki te są najczęściej używane do testowania nowych leków, a lek MTX znany jest ze swojej zdolności do ich niszczenia, gdy podawany jest w dużych ilościach. W testach użyto komórki pochodzące z kultur dwu- i trzywymiarowych.
Podczas eksperymentu 2 pule komórek były poddawane działaniu różnych dawek leku MTX. Jak się okazało niższe stężenia leku powodowały śmierć tylko komórek hodowanych w kulturach dwuwymiarowych, podczas gdy te hodowane na rusztowaniach przeżywały dłużej. Naukowcy podejrzewają, że zachowanie 3D komórek odzwierciedla ich prawdziwą reakcję jaka zachodzi w organizmie człowieka w odpowiedzi na dany lek.
Naukowcy testowali możliwości hodowli różnych rodzajów komórek na zaprojektowanych rusztowaniach.
Samo rusztowanie zbudowane jest z wysoce porowatego polistyrenu. Jego wielkość to około 2.5 na 2.5 centymetra, a wyglądem przypomina cienki biały dysk. Faktura rusztowania jest jak gąbka, której otwory są wypełniane hodowanymi komórkami.
Technologia rusztowania ma być potencjalnie wykorzystana do hodowli ludzkich komórek macierzystych, które będą służyć do badań nad lekami. Kolejnym zastosowaniem ma być także hodowla komórek skóry, które będą używane do testów i badań nad kosmetykami.
Wyniki z testowania takich hodowli dostarczą informacji jak lek zachowuje się w ludzki organizmie i jak reagują na niego komórki, pozwolą także zredukować koszty i ilość badań, które dotychczas wykonywano na zwierzętach.
Technologia rusztowania nie jest oczywiście jedyną dostępną technologią do trójwymiarowych hodowli komórek. Inne technologie mają jednak znaczne ograniczenia, są skomplikowane i kosztowne w użyciu. Problemem jest także ich adaptacja do systemu, gdzie maja służyć w badaniach przesiewowych. Używanym dotychczas trójwymiarowym otoczeniem dla hodowli komórek były produkty nazywane Matrigel. Są to żelatynowe mieszaniny białkowe wytwarzane przez mysie komórki nowotworowe. Przypominają one złożone pozakomórkowe środowisko. Jednak ich użycie w eksperymentach wymagających ściśle określonych warunków hodowli jest ograniczone ze względu na to, że zawierają one czynniki wzrostu i inne nieznane białka, które mogą oddziaływać z hodowanymi komórkami.
Natomiast doniesienia o trójwymiarowych systemach służących do hodowli komórek macierzystych były publikowane w grudniu 2006 roku. Naukowcy z Massachusetts Instytut of Technology (MIT) zaprojektowali rusztowanie z sieci nanowłókien białka, które także miało służyć do hodowli komórek macierzystych.
Wprowadzanie projektów jak ten z 2006 roku czy opracowany przez naukowców z Durham zależy głównie od możliwości wykorzystania ich w badaniach przesiewowych. Nie bez znaczenia oczywiście pozostaje także ich cena i użyteczność.
Maria Bokhari, Ross J. Carnachan, Neil R. Cameron, Stefan A. Przyborski (2007)
Culture of HepG2 liver cells on three dimensional polystyrene scaffolds enhances cell structure and function during toxicological challenge. Journal of Anatomy 211: 567–576.
ScienceDaily.com: Cell Growth Technology Promises More Successful Drug Development, September 24, 2007