3D Cell Culture – The Future of Science

Schon seit vielen Jahrzenten sind Säugetierzellen ein unverzichtbarer Bestandteil der Zellbiologie und werden in 2D Zellkulturen kultiviert. 2D Zellkulturen (Monolayer) von adhärenten Zellen haben lange Zeit das Verständnis für die Morphologie von Geweben, Krankheitsmechanismen, Arzneimittelforschung, Tissue Engineering und der regenerativen Medizin vorangetrieben; jedoch konnten damit keine in vivo-ähnlichen Zustände erzeugt werden. Im Organismus ordnen sich die Zellen räumlich an einem komplexen dreidimensionalen Gitter, der Extrazellulären Matrix (ECM) an. Sie kommunizieren über biochemische und mechanische Signale sowohl miteinander, als auch mit der ECM. Dieses dreidimensionale Netzwerk hält die Spezifität und Homöostase von Geweben aufrecht. 2D Zellkulturen fehlen diese Eigenschaften und daher kommt es immer wieder zu Einschränkungen im Bereich der Zellmorphologie, der Lebensfähigkeit der Zellen, der Proliferation und Differenzierung, der Gen- und Proteinexpression, des Arzneimittelmetabolismus und generellen Zellfunktionen. Dies zeigt sich besonders in Toxizitätsstudien und Studien für Krebsmedikamente. Hierbei erzielen 90% der in der 2D Zellkultur getesteten Medikamente nicht die gewünschte Wirkung bzw. Sicherheit. Anhand von Tierversuchen stellte sich heraus, dass diese ebenfalls nicht repräsentativ sind.

3D VS 2D

Cell Attachment nur an einer Seite der Zelle, nämlich dort wo sie in Kontakt mit der Oberfläche ist
Zellen hören bei Kontakt auf zu wachsen (Kontaktinhibition)
Organisation von Gewebe geht verloren, wenn Zellen auf ein flaches 2D Zellkultur Substrat aufgebracht werden
Cell Attachment und Ausbreitung schreitet schnell voran, innerhalb von Minuten

Cell Attachment an der gesamten Zelloberfläche
Einige Zellen werden flacher, zeigen abnormale Zellteilungen und verlieren ihren differenzierten Phänotypen - In einer 3D Zellkultur erlangen diese Zellen ihre ursprüngliche physiologische und funktionelle Gestalt wieder
Cell Attachment und Ausbreitung dauern länger (Stunden bis Tage)

WARUM ALSO 3D ZELLKULTUR?

Der Organismus ist ein dreidimensionales System und daher kommt die 3D Zellkultur diesem am nächsten
Sie interagiert mit der künstlich nachempfundenen ECM und imitiert so die Spezifität von natürlichem Gewebe. Dies bezieht sich vor allem auf Stammzellkulturen, Tumorbiologie, Drogen- und Toxizitätsscreening und Tissue Engineering.
Sie ersetzt zu einem großen Teil die 2D Zellkultur und Tierversuche
Besseres High-Throughput-Screening
Mehr Ähnlichkeit zu in vivo als 2D Zellkulturen

3D ZELLKULTUR METHODEN

Es wurde eine Vielzahl an verschiedenen Materialien und Herstellungstechniken entwickelt, um den Anforderungen und physikalischen und chemischen Charakteristika der verschiedenen Zelltypen des Organismus gerecht zu werden.

3D SPHÄROID KULTUREN

Adhärente Zellen haben die Tendenz sich zusammenzuballen und sogenannte Sphäroide zu bilden. Einige Beispiele von Sphäroiden sind zum Beispiel: Embryoid bodies, Mammosphäroide, Tumorsphäroide, Hepatosphäroide und Neurosphäroide.

Corning Spheroid Microplates sind multiple Well-Zellkulturplatten mit lichtundurchlässigen Seitenwänden und lichtdurchlässigem Rundboden. Dieser Rundboden ermöglicht, im Gegensatz zu einem flachen Boden, das Wachstum von einzelnen gleichmäßig geformten Sphäroiden in der Mitte eines jeden Wells. Die lichtundurchlässigen Seitenwände minimieren well-to-well crosstalk und Hintergrundfluoreszenz beziehungsweise -lumineszenz. Ein Zelltransfer zur Kultivierung und Testung ist nicht notwendig, da die Sphäroide in einer Platte erzeugt, kultiviert und getestet werden können. Die Corning Ultra Low Attachment Oberfläche an der Innenseite des Bodens der Platte ist hydrophil, nicht-zytotoxisch und biologisch inaktiv. Die besondere Form der Platte ermöglicht eine hohe Reproduzierbarkeit des Zellwachstums. Corning Spheroid Microplates sind im 96-well (Maximales Arbeitsvolumen: 300ml) und 384-well (maximales Arbeitsvolumen: 90ml) Format erhältlich. Spezielles Handling und spezielle Lagerung sind nicht nötig.

VALIDIERTE IMAGE SYSTEME FÜR DIE CORNING SPHÄROIDPLATTEN:

BioTek Instruments, Inc: Cytation Cell Imaging Multi Mode Reader
Essen Bioscience: IncuCyte ZOOM
Molecular Devices: ImageXpress Micro XLS Automated Imaging System
Nexcelom: Celigo S Image Cytometer
TTP Labtech: Acumen Cellista Laser Scanning Image Cytometer

Corning Matrigel Matrix ist eine rekonstruierte Basalmembran, extrahiert aus dem Engelbreth-Holm-Swarm (EHS) Maus Sarkom. Es findet vor allem für Angiogenese und Tumorgenese Modelle Anwendung. Durch Überprüfungen, wie zum Beispiel der Endprodukte mittels PCR wird garantiert, dass das Matrigel zertifiziert Laktose Dehydrogenase/Laktat Dehydrogenase (LDEV/LDHV) frei ist. Der EHS Tumor ist reich an extrazellulären Matrixproteinen, die bei Raumtemperatur polymerisieren und somit eine biologisch aktive Membran bilden, die einer natürlichen Basalmembran sehr ähnelt.

Corning Matrigel Matrix enthält folgende Bestandteile:

60% Laminin
30% Kollagen IV
8% Entactin/Nitogen
Heparinsulfat Proteoglykan (Perlekan)
Wachstumsfaktoren

Tipps für die Verwendung:

Corning Matrigel Matrix über Nacht bei 2°C bis 6°C oder in einem kühlen Raum auftauen
Corning Matrigel Matrix bildet bei 22°C bis 35°C sehr schnell ein Gel
Es ist empfehlenswert vorgekühlte Pipettenspitzen und Tubes zu verwenden
Bei -20°C bleibt das Produkt über 3 Monate hin stabil, bei 37°C über 12 Tage
Für Assays bei denen die Zellen gefärbt werden, empfiehlt es sich, das Phenolrot-freie Matrigel zu verwenden

CORNING MATRIGEL MATRIX FÜR DIE 3D ZELLKULTUR

Zellen können entweder in das Gel eingebettet oder an die Oberfläche appliziert werden (Overlay Methode)
Für eine 3D Zellkultur sollte man eine dicke Schicht Gel verwenden, besonders bei Differenzierung, Zellinvasions Assays, bei sehr komplexen Strukturen und Studien der Zell-Zell-Interaktion