3D-Zellkultur: Übersicht und Neuigkeiten

3D-Zellkultur in unseren Fortbildungen

3D-Zellkulturmodelle reichen von Sphäroiden und Gelen über Co-Kultur-Systeme und Transwells bis hin zu komplexeren Modellen mit Stammzellen. Auswahl, Aufbau und Kultivierung des passenden Modells hängen dabei stark von Zelltyp und Fragestellung ab.

Passende Fortbildungen zu diesen Themen sind:

• 3D-Zellkultur Basiskurs – Grundlagen und praktische Anwendungen von Sphäroiden, Gelen, Co-Kulturen, Organoiden und weiteren 3D-Modellen.
• 3D-Zellkultur in Inserts / Transwells – Auswahl und Anwendung von Zellkultureinsätzen für Co-Kultur, Migration, Transportmodelle und Gewebemodelle.
• iPS-Zellen Basiskurs – Grundlagen zu induzierten pluripotenten Stammzellen, Reprogrammierung, Kultur und Differenzierung als Basis für komplexe Zell- und 3D-Modelle.

Grundlagen der 3D-Zellkultur

Was ist 3D-Zellkultur und wie unterscheidet sie sich von 2D Zellkultur?

Die normale Standardzellkultur wird für adhärente (anhaftende) Zellen auf Flaschen, Schalen, Platten etc. durchgeführt. Hierdurch haben die Zellen in Kultur nur eine Oberfläche mit der sie Kontakt haben und die Nachbarzellen sind nur in 2 Ebenen (2D) neben den Zellen engeordnet. Diese Form nennt man auch Monolayer-Wachstum, da die Zellen in einer Lage auf der Oberfläche wachsen. In einem 3D-System haben die Zellen in allen 3 Ebenen Kontakte. Entweder nur zur Oberfläche oder zu Nachbarzellen rings herum.

Wie unterscheiden sich Zellen in 2D und 3D-Modellen?

2D und 3D-Kulturmodelle ergeben sehr unterschiedliche Zellen und Modelle. D.h. weder die Zellen noch die Ergebnisse sind wirklich vergleichbar. Die Übertragbarkeit auf Organismen oder Gewebe ist wahrscheinlich bei 3D-Modellen höher als bei 2D-Modellen, d.h. 3D-Modelle ergeben klinisch relevantere Ergebnisse. Manche Prozesse wie die wirkliche Differenzierung, Funktionalisierung oder Polarisierung lassen sich überhaupt nur in 3D-Modellen untersuchen. Folgende Merkmale und Eingenschaften der Zellen sind je in beiden Kultursystemen unterschiedlich:

Die Zell-Morphologie (Form) Die Zell-Matrix(Oberflächen)-Kontakte Die Zell-Zell-Kontakte Das Migrationsverhalten Das Proliferaionsverhalten Das Differenzierungspotential Die Polarität der Zellen Reaktion auf zugeführte Agenzien und Testsubstanzen Die Sauerstoffversorgung, pO2 Die Nährstoffversorgung

Vorteile und Nachteile der 2D- und 3D-Zellkultur?

Zusammenfassend kann man folgende Vorteile und Nachteile der beiden Modelltypen aufführen:

Welche 3D-Zellkultur Modelltypen gibt es?

Welche speziellen Kultur-Materialien gibt es für 3D-Zellkultur-Modelle?

Welche Beispiele für 3D-Modelle gibt es?

Beispiele für 3D-Zellkulturmodelle umfassen Hautmodelle, Schleimhautmodelle, Knorpelmodelle, Blut-Hirn-Schranke-Modelle, Transmigrationsassays, Sphäroide, Lebermodelle und human-on-a-chip Modelle. Diese MOdelle können in Form von Reinkulturen oder als sogenannte Co-Kulturen oder gewebetypische Kulturen erstellt werden.

Ein Hautmodell zum Beispiel kann nur aus Keratinozyten bestehen und ist dann ein sogenanntes epitheliales Model. Eine komplexere Version wäre ein Vollhautmoedell mit Fibroblasten und Kollagen als Uunterhautequivalent und Keratinozyten auf dieser unteren Schicht. Um eine vollständige in vitro Differenzierung zu erreichen, muss dann ein sogenannter Air-Lift durchgeführt werden.

Sphäroide können grob gesagt über drei Mechanismen hergestellt werden. Entweder platiert man sie auf hydrophoes Plastik, auf dem sie nicht adhärieren können, man platiert sie in hängenden Tropfen aus, in denen es nur oben eine Fläche gibt, aber die Zellen sinken nach unten oder man kauft ein spezielles Medium das die Zellen veranlasst auch in normalem Plastik Sphäroide zu bilden. Ein Beispiel mit speziellem hydrophobem Plastik von PHCbi (Spheroid culture) ist nachfolgend schematisch dargestellt.

Blut-Hirn-Schrankemodelle werden meist in Transwells (s.o.) aufgebaut. Dabei werden unter dem Transwell Astrozyten kultiviert und im Transwell mikrovaskuläre Endothelzellen. Durch die interzelluläre Kommunikation bildet sich dann eine dicht Schranke mit TEER-Werten um 800 Ohm aus. Durch Zugabe von Komponenten ins obere Kompartiment und Messung im unteren Kompartiment kann man die BHS-Gängigkeit untersuchen.

Knorpelmodelle können aus Chondrozyten oder MSC hergestellt werden. Durch spezielle Differenzierungsmedien bringt man sie dazu Knorpel zu bilden. Diese Modelle werden oft genutzt um den Einfluss von z.B. Zug- und Druckbelastung oder Vibrationen zu testen.