User:Lara Duvnjak/sandbox/3D stanične kulture

3D STANIČNE KULTURE

= Uvod = 3D stanična kultura predstavlja kulturu živih stanica koje rastu unutar umjetno proizvedenih podloga koje imaju trodimenzionalnu strukturu te imitiraju mikrookoliš specifičnan za određeno tkivo ili organ. Za razliku od klasičnih dvodimenzionalnih staničnih kulturi (Petrijeve zdjelice), 3D stanične kulture omogućuju stanicama rast u sve 3 dimenzije slično kao u in vivo sustavima (živim organizmima). Prednosti 3D staničnih kultura su omogućena diferencijacija stanica te samim time poboljšana organizacija tkiva; mogućnost očuvanja interakcija između pojedinačnih stanica i između stanica i vanstaničnog matriksa; te dobro definirana geometrija koja omogućuje direktno utvrđivanje odnosa između strukture i funkcije stanica. Ono što bitno razlikuje 3D od 2D kultura jest zadržana morfologija stanica i tkiva, sporiji rast i proliferacija stanica (kao i u in vivo sustavima), stanična polarnost, genska ekspresija, metabolička i biokemijska aktivnost, signalna transdukcija (interakcija s mikrookolišem) i mobilnost stanica. Jedna od stavki koja bitno utječe na ovakva svojstva stanica u 3D kulturama jest imitacija ekstracelularnog matriksa (ECM). Ekstracelularni matriks odgovoran je za niz funkcija i svojstava stanica u tkivima: fenotip tkiva, mehanička stabilnost, mobilnost stanica, proliferacija, diferencijacija, vanstanična i unutarstanična signalizacija, morfogeneza i popravak tkiva. 3 su osnovna uvjeta koja je potrebno zadovoljiti za dobivanje 3D staničnih kultura ljudskog tkiva:


 * 1. Kolokalizacija različitih tipova stanica koje su međusobno u interakciji tj. u kojima je prisutna međustanična signalizacija i razmjena faktora rasta i drugih biološki aktivnih tvari
 * 2. Prisutnost ekstracelularnog matriksa (ECM) koji pruža mehaničku stabilnost (formacijom 3D skela – eng. scaffolds) i regulira funkciju stanica
 * 3. Sinteza intersticijske tekućine koja sadrži potrebne hranjive tvari i biološke efektore koji su potrebni za diferencijaciju i sazrijevanje tkiva

= Klasifikacija 3D staničnih kultura = Postoji velik broj komercijalno dostupnih alata za kultiviranje koji pružaju prednosti u uzgoju 3D staničnih kultura. Općenito, platforme za 3D stanične kulture možemo svrstati u 5 osnovnih grupa:
 * • Scaffold-free tehnike
 * • Scaffold tehnike
 * • Bioreaktori
 * • Hidrogelovi
 * • Organi na čipu

Sferoidi (Scaffold-free tehnike)
Sferoidi predstavljaju sfernu nakupinu staničnih linija dobivene bez postojanja 3D skele/mreže (scaffold-free tehnika). Agregacijom u velike sferoidne oblike (nekoliko stotina mikrometara), stanice mogu uspostaviti međusobne kontakte, a specifičan mikrookoliš omogućuje izražaj fenotipa sličnog tkivu. Sferoidi se koriste u izučavanju fizioloških i morfoloških svojstava stanica, proučavanju razlika u strukturi zdravih i tumorskih stanica te onkogene promjene zdravih stanica. Isto tako, kolokalizacijom tumora i zdravih stanica u ovom tipu 3D kultura, mogu se proučavati interakcije kancerogenih stanica s normalnim stanicama. Postoje dvije tehnike dobivanja sferoida: metoda viseće kapi i rotirajuće cvjevčice. U objema tehnikama stanice se združuju u sferoidne strukture pod utjecajem gravitacijske sile.

Scaffold tehnike
Scaffold tehnika je primjer dobivanja 3D staničnih kultura koja uključuje korištenje 3D „skela“ odnosno mreža za dobivanje 3D kulture. To mogu biti čvrsti nosači, hidrogelovi ili neka druga vrsta materijala. Primjer ovakvih vrsta 3D kultura jesu kulture organa/eksplatanata, organotipska kultura, kulture stanica na mikronosačima, polarizirane epitelne stanice i sl.
 * • Kulture organa/eksplatanata – kulture organa imaju cjelovitu ili djelomičnu histološku građu dijela tkiva ili organa. Radi se o primarnoj kulturi stanica (dobivena kirurškim odstranjivanjem dijela tkiva ili cijelog organa iz živog organizma), stoga ova tehnika omogućuje izučavanje in vivo procesa ex vivo. Eksplantirano tkivo se stavlja na čvrstu podlogu (mrežica, gel i sl.) koja ima dotok zraka te dovoljnu količinu vlage.
 * • Organotipska kultura – organotipska kultura je in vivo tehnika koja uključuje kolokalizaciju različitih vrsta stanica za izučavanje in vivo heterogenosti. Ova tehnika može uključivati primarne stanice ili imortalizirane stanične linije postavljene na neku vrstu čvrstih nosača. Ti čvrsti nosači prekriveni su organskim materijalom koji podržava rast i diferencijaciju tkiva.

Bioreaktori
Bioreaktori su male cilindrične komore koje su posebno konstruirane za potrebe uzgoja stanica u tri dimenzije. Bioreaktor koristi bioaktivne sintetičke materijale kao što su membrane polietilen tereftalata koje okružuju sferoidne stanice u okolini s visokom razinom hranjivih tvari. Posebno su dizajnirane za kultivaciju stanica i jednostavne za korištenje. Komora bioreaktora je dio većeg uređaja koji se rotira kako bi osigurao jednak rast stanica u svakom smjeru kroz tri dimenzije. Jedan od uvjeta rasta stanica u bioreaktorima jest vlaga, stoga komore u kojima rastu stanice održavaju 100% vlažnosti tijekom cijele godine. Vlažan okoliš važan je za postizanje maksimalnog rasta i pravilne funkcije stanica.

Hidrogelovi
Obzirom na važnosti koje pruža ekstracelularni matriks (ECM), različite matrice hidrogelova oponašaju prirodnu strukturu ECM-a te se smatraju potencijalnim pristupom prema razvoju 3D staničnih kultura. Hidrogelovi su sastavljeni od međusobno povezanih pora s visokom mogućnošću zadržavanja vode, što omogućuje učinkovit prijenos hranjivih tvari i impulsa. Postoji nekoliko prirodnih i sintetskih vrsta hidrogelova dostupno za 3D kulturu stanica, npr. hidrogelovi životinjskog podrijetla, proteinski hidrogelovi, peptidni hidrogelovi, polimerni hidrogelovi i nanocelulozni hidrogelovi.

Organi na čipu
„Organi na čipu“ predstavljaju 3D kulturu stanica na mikročipu koji stimuliraju aktivnost ljudskih ili nekih drugih organa te njihovu morfologiju, mikrookoliš i fiziološke procese. Vrlo su dobar model za testiranje novih novih tvari kao kandidata za lijekove pri čemu se prati fiziološki odgovor tkiva te morfološke promjene. Postoje brojne vrste organa na mikročipovima od kojih su trenutno najbolje i najznačajnije mikrofluidni oblik bubrega, pluća i jetre kao glavnih meta toksičnosti lijekova te „čovjek na čipu“ koji oponaša kokulturu različitih vrsta organa na jednom čipu povezanim cirkulatornim sustavom u fiziološki relevantnom smislu. Čovjek na čipu vrlo je dobar model 3D kulture stanica koji se može koristiti kao kompleksni model za izučavanje administracije, distribucije, metabolizma i ekskrecije lijeka; odnosno u procjeni efikasnosti i toksičnosti novih ili već postojećih lijekova.