Artículo revisado por Julia Crispim da Fontouracandidato a doctorado en la Universidad Federal de Ciencias de la Salud de Porto Alegre, Brasil, que utiliza organoides para estudiar la resistencia a los medicamentos.
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Al permitir más interacciones entre células, los cultivos celulares 3D reflejan más fielmente las complejidades biológicas de los tejidos y órganos que los cultivos 2D tradicionales.
¿Qué es el cultivo celular 3D?
El cultivo celular en 3D es una técnica in vitro en la que los científicos cultivan células en condiciones que les permiten Interactuar el uno con el otro y el entorno circundante.1 Estas condiciones son capaces de imitan estrechamente los tejidos complejosórganos o tumores.2
Existen varios tipos diferentes de cultivos celulares en 3D, incluidos los esferoides sin andamios y organoides basados en andamios.3 La combinación de Cultivo celular 3D con microfluidos. ha dado como resultado el modelo de órgano en un chip.4
Cultivo celular 2D versus 3D
El cultivo celular 2D implica principalmente el cultivo de células en una monocapa sobre la superficie plana de un matraz o plato de plástico.5 Estas condiciones culturales carecen de complejidad, afectar los fenotipos celularesy limitar severamente las interacciones célula-célula que sustentan los procesos biológicos.6
Por el contrario, los modelos de cultivo celular 3D son Mucho más cerca de las condiciones in vivo. porque permiten que las células interactúen entre sí y con la matriz extracelular.7 Además, las células en cultivo 3D pueden diferenciarse funcionalmente y formar capas de varios tipos de células.3
“El cultivo celular en 3D está sacando células de ese entorno 2D, y [allowing them to have] más interacciones entre sí. Esas interacciones pueden ocurrir de diferentes maneras y en diferentes entornos”, dijo Julia Crispim da Fontoura, candidata a doctorado en la Universidad Federal de Ciencias de la Salud de Porto Alegre, quien ha utilizado organoides para estudiar la resistencia a los medicamentos.
En términos de condiciones de cultivo, el cultivo celular 3D normalmente requiere factores de crecimiento y poco o nada de suero en el medio de cultivo celular en comparación con el cultivo celular 2D, para cultivar células primarias y en diferenciación.8 Condiciones de cultivo específicas, como qué factores de crecimiento utilizar y su concentración. depende del tipo de celula.9
Tipos de modelos de cultivo celular 3D
Los tipos de cultivos celulares en 3D incluyen esferoides sin andamios, organoides basados en andamios y dispositivos de órganos en un chip basados en microfluidos. Estos son útiles en aplicaciones de investigación de enfermedades, como el estudio del microambiente de los tumores cerebrales, el modelado de afecciones inflamatorias como la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) y la investigación de la toxicidad de los fármacos in vitro.
El científico
Cultivo de células esferoides 3D
Los investigadores cultivan esferoides en cultivo celular 3D sin andamios condiciones que no proporcionan ninguna superficie o estructura para la unión celular.5 Las células que no pueden adherirse a una superficie 2D se unirán entre sí, agregándose y formando una superficie flotante. grupo esférico conocido como esferoide.5 Los esferoides son más complejo que los cultivos celulares 2Dpero menos complejo que otros modelos de cultivo celular en 3D, como los organoides.3
Organoides de cultivo celular 3D
Las células en cultivos celulares 3D basados en andamios se autoensamblan en unidades estructurales conocidas como organoides, que se parecen a órganos en miniatura.3 Cultivo celular 3D basado en andamios Las condiciones incluyen un sustrato o matriz al que las células se unen.5
“Las células que crecen en [organoid culture] tienen una estructura para retenerlos, pero también tienden a tener diferentes tipos de células dentro de esos organoides”, dijo Crispim da Fontoura. «Eso les da una estructura más similar al tejido real que a un esferoide».
Cultivo celular microfluídico en 3D: órgano en un chip
chips de microfluidos Son microchips grabados con una serie de canales.10 Se forman tejidos 3D cultivados en estos dispositivos órganos en chips,4 que imitan el estructura y función de los tejidos humanos.11 Los órganos en chips se pueden integrar fácilmente con otras técnicas de ingeniería, incluidas tecnologías de automatización o biosensores.11 Al igual que otros enfoques de cultivo celular en 3D, los órganos en chips también se pueden personalizar mediante el uso iPSC específicas del paciente.11
Ventajas del cultivo celular 3D
Una de las ventajas clave del cultivo celular 3D es que mejora Imita condiciones biológicas reales. para estudiar tejidos, órganos y enfermedades complejos in vitro.12 “En el cultivo celular 3D, generalmente vemos células en un entorno más similar al que vemos in vivo, por lo que tenemos células que están organizadas de manera más similar a un órgano”, explicó Crispim da Fontoura. Por ejemplo, se pueden generar organoides para una variedad de órganosincluidos el cerebro, el hígado, los pulmones, los riñones, el páncreas, la retina, la tiroides y el estómago, y pueden recapitular con precisión su expresión genética y proteica, estructuras tisulares e interacciones celulares de esos órganos.13
Debido a que las técnicas de cultivo celular en 3D se parecen más a las condiciones in vivo, también pueden proporcionar indicaciones más precisas de cómo las células humanas responderán a terapias novedosas en comparación con el cultivo celular 2D o los modelos animales preclínicos,2 lo que significa que pueden maximizar la eficiencia en el descubrimiento de fármacos y reducir la tasa de deserción de nuevos fármacos en desarrollo clínico.1 «Al utilizar estas células cultivadas en 3D en este tipo de ensayos, se puede incluso ayudar a disminuir el uso de ratones en la investigación», añadió Crispim da Fontoura.
Además, los modelos de cultivo celular 3D, como organoides y órganos en chips, se pueden integrar con alto rendimiento y proyección de alto contenidoasí como biología computacional y aprendizaje automático.13
Aplicaciones de cultivo celular 3D
Una aplicación clave del cultivo celular en 3D es el modelado de enfermedades, que recrea fenotipos de enfermedades complejos que no se pueden modelar con precisión mediante técnicas de cultivo celular en 2D. Por ejemplo, los investigadores pueden generar órganos en chips que recapitulan la interfaz alveolar-capilar en los pulmoneslo que les permite estudiar respuestas complejas a infecciones e inflamación.14
Los científicos suelen utilizar cultivos celulares en 3D para la investigación del cáncer, tanto para comprender el complejo microambiente tumoral y estudiar las respuestas al tratamiento in vitro.15 Por ejemplo, Crispim da Fontoura utiliza técnicas de cultivo celular en 3D en su investigación de fármacos contra el cáncer. Ha demostrado que los modelos 3D tienen niveles de expresión genética más similares a los de los tumores y son más resistente a los medicamentos de quimioterapia que los modelos 2D.5
Los investigadores también están trabajando con organoides tumorales complejos para comprender el microambiente inmune tumoralasí como para desarrollar y probar inmunoterapias de precisión.dieciséis «Se pueden crear organoides y cocultivarlos con células inmunes, y luego utilizar una terapia para tratar de tener una idea general de cómo podría responder un paciente a esa terapia», dijo Crispim da Fontoura.
Debido a que las respuestas a la inmunoterapia están limitadas por la heterogeneidad intertumoral y la resistencia al tratamiento, predecir respuestas específicas del paciente es un objetivo clave de la medicina de precisión en el cáncer.17 Los científicos utilizan organoides tridimensionales derivados de tumores para evaluar la eficacia de la inmunoterapia, así como para comprender la Papel de células específicas en la progresión tumoral. o remisión.17 Con más investigaciones, las técnicas de cultivo celular en 3D continuarán cerrando las brechas actuales entre los cultivos en 2D y los modelos in vivo. permitiendo avances en la medicina de precisión y maximizar la eficiencia en el desarrollo de fármacos.3
Referencias
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