ساختار و فناوری کشت سه بعدی سلول

کشت سه‌بعدی سلول یک روش پیشرفته در زیست‌شناسی سلولی

کشت سلولی سه بعدی یک محیط کشت است که به سلول ها اجازه رشد و تعامل با چارچوب خارج سلولی اطراف را در سه بعد می دهد. این روش متفاوت با کشت سلولی دو بعدی سنتی است که در آن سلول ها در یک تک لایه مسطح روی یک صفحه رشد می کنند. کشت سلولی سه بعدی را می توان با یا بدون داربست نگهدارنده رشد داد.  (داربست نگهدارنده: داربست ها که معمولاً از مواد زیستی پلیمری ساخته می شوند، پشتیبانی ساختاری برای اتصال سلولی و متعاقب آن رشد بافت فراهم می کنند.)

.

.

کشت سلولی سه بعدی با داربست

سلول های سه بعدی را می توان در یک داربست نگهدارنده کشت داد تا امکان رشد در همه جهات فراهم شود.

.

انواع رایج داربست عبارتند از:

.

• هیدروژل‌ها:

مواد پلیمری حاوی شبکه‌ای از زنجیره‌های پلیمری متقابل که می‌توانند آب را جذب و در خود نگه دارند. هیدروژل ها را می توان از حیوانات (Matrigel®, collagen)، گیاهان (آلژینات/آگارز)، یا از مواد شیمیایی سنتز کرد. (QGel® Matrix)

 

.

• ماتریس های بی اثر:

این ماتریس ها از غشاهای اسفنج مانندی  از جنس پلی استایرن ساخته شده اند که حاوی منافذی برای تکثیر و رشد سلول ها هستند.

کشت سلولی سه بعدی بدون داربست

کشت های سه بعدی را می توان بدون وجود داربست نگهدارنده نیز انجام داد. در روش‌های بدون داربست، سلول ها به یکدیگر تکیه می کنند و ساختاری خوشه ای یا کروی را بوجود می آورند.

 

روش های رایج بدون داربست عبارتند از:

.

• صفحات با چسبندگی کم:

برای کاهش میزان چسبندگی، صفحات با پلیمرهای آبدوست پوشش داده می شود تا از اتصال سلول ها به سطح جلوگیری کنند. در این حالت سلول ها با هم تشکیل خوشه داده و ماتریکس خارج سلولی (ECM) تشکیل می شود.

.

• سطوح ریز صفحه (Micro plate) :

ریز صفحه ها، سطوح پلاستیکی هستند که برای ایجاد یک ریز الگو (Micro Pattern) یا چند چاهی (Multi wells) طراحی می‌شوند تا سلول‌ها بتوانند به صورت خوشه‌ای رشد کنند.

.

• قطره معلق

 در این روش سلول‌ها در یک قطره معلق از محیط قرار می‌گیرند، این حالت به سلول‌ها اجازه می‌دهد متمرکز شده و ساختارهای کروی‌ شکلی در انتهای قطره تشکیل دهند.

.

.

• مدل‌های میکروسیالی اندام روی یک تراشه:

این مدل، یک تراشه کشت سلولی میکروسیالی سه بعدی است که برای شبیه سازی از فیزیولوژی یک اندام مهندسی شده است. سلول‌های سه ‌بعدی در داربست‌هایی درون اتاقک یک ریزتراشه رشد می‌کنند. کانال های کوچک تعبیه شده به جریان مایع (حجم میکرولیتر به پیکولیتر) اجازه می دهند تا مواد مغذی یا سایر مواد شیمیایی ضروری را در سراسر سلول ها انتقال و توزیع کند.

.

• مدل بیوراکتور

در این مدل، بیوراکتورهای استوانه ای شکل از جنس پلاستیک هستند که بطور اختصاصی برای کشت سلولی سه بعدی طراحی و ساخته شده اند. بیوراکتورهای کشت سه بعدی از مواد سنتتیک زیست فعال مانند غشاهای پلی اتیلن ترفتالات ساخته شده اند تا توانایی بالایی در حفظ مواد مغذی مورد نیاز سلول های کروی داشته باشند. ویژگی مهم این بیوراکتورها، قابلیت باز و بسته شدن درب آن ها به منظور برداشت سلول ها است. با وجود امکان باز شدن درب، این بیوراکتورها طوری طراحی شده اند که توانایی حفظ ۱۰۰ درصد رطوبتی را دارند که برای رشد سلول ها بسیار حیاتی است.

.

.

چرا از کشت سلولی سه بعدی استفاده کنیم؟

برای مدت طولانی، دانشمندان برای مطالعه مکانیسم ‌های سلولی و بیماری ‌ها به کشت‌ های سلولی دو بعدی مسطح که روی یک صفحه رشد می‌کردند، تکیه داشتند. مدل ‌های سلولی دو بعدی برای کشت و مطالعه، ساده و مقرون به صرفه هستند. با این حال، در دهه گذشته، کشت ‌های سلولی سه ‌بعدی به دلیل شباهت بیشتر فیزیولوژیکی و امکان مطالعه در بافت زنده محبوبیت بیشتری پیدا کرده‌اند.

هیچ نوع سلولی در بدن ما به صورت تک لایه مستقل از سلول ها یا بافت های دیگر رشد نمی کند. بیشتر سلول ها به طور طبیعی در ساختارهای سه بعدی پیچیده از جمله انواع سلول های مختلف در یک شبکه خارج سلولی وجود دارند. برهمکنش های متعدد سلول-سلول و سلول-شبکه همگی تأثیر عمیقی بر رفتار و عملکرد آنها دارند. علاوه بر این، تک لایه‌های دو بعدی دسترسی یکسان و یکنواختی به مواد مغذی و اکسیژن دارند که این امر در توده‌های سلولی مانند تومورها صادق نیست. کروی های تومور سه بعدی بسیار بیشتر نماینده تومورهای بافت زنده هستند که در آن سلول های داخلی دسترسی کمتری به مواد مغذی و اکسیژن در مقایسه با لایه بیرونی دارند و یک گرادیان طبیعی را تشکیل می دهند.

.

معایب و محدودیت های کشت سلولی سه بعدی

روش های سه بعدی موجود که به آن پرداختیم دارای محدودیت هایی نیز می باشد. از مهمترین این محدودیت ها عدم مقیاس پذیری و عدم تکرارپذیری است. هیچ یک از روش های سه بعدی تاکنون موفق به جایگزین کشت دو بعدی در مقیاس انبوه برای فرآیندهایی مانند تولید دارو نشده است.

.

منابع:

•  Tibbitt MW, Anseth KS (July 2009). “Hydrogels as extracellular matrix mimics for 3D cell culture”. Biotechnology and Bioengineering
•  Mapanao AK, Voliani V (June 2020). “Three-dimensional tumor models: Promoting breakthroughs in nanotheranostics translational research”. Applied Materials Today. ۱۹: ۱۰۰۵۵۲. doi:۱۰.۱۰۱۶/j.apmt.2019.100552
•  Kunz-Schughart LA, Heyder P, Schroeder J, Knuechel R (May 2001). “A heterologous 3-D coculture model of breast tumor cells and fibroblasts to
• https://www.spandidos-publications.com
• Pubmed