3D-Zellkultur

3D-Zellkultur bezeichnet die Kultivierung von Zellen in einer mikrostrukturierten dreidimensionalen Zellkultur unter In-vitro-Bedingungen. So wie die Organe im Körper eine räumliche Orientierung einnehmen, soll dies auch in Zellkulturen realisiert werden. Im Gegensatz zum Tissue Engineering dient die 3D-Zellkultur nicht in erster Linie zur Erzeugung von Organen.

Eigenschaften

Der Begriff 3D-Zellkultur grenzt sich ab von der 2D-Zellkultur und bezeichnet Zellkultur, die im Gegensatz zu Monolagen die Dreidimensionalität von Gewebe berücksichtigt. Dies geschieht hauptsächlich in Form von Hydrogelen aus Gerüstproteinen wie etwa Kollagen, Gelatine-Methacrylat oder kommerziellem Matrigel.[1] In einer 3D-Umgebung bilden viele Zelllinien Sphäroide aus, deren Durchmesser im Laufe der Zeit nach der Einbettung der Zellen anwächst. Auch nicht Sphäroid bildende Zellen zeigen oft eine Morphologie, die sich von der von Wachstumsbedingungen etwa auf Glas unterscheidet. Gegenüber anderen Methoden, Sphäroide zu gewinnen, zeichnet sich die 3D-Zellkultur dadurch aus, dass die Zellen mit der – künstlichen, aber der Physiologie nachempfundenen – extrazellulären Matrix interagieren, was sich über adhäsionsvermittelte Signaltransduktion auf die Regulation von Genexpression auswirkt. Ebenso gehört die Kultur von Gewebeschnitten zur 3D-Zellkultur. Die 3D-Zellkultur versucht, organspezifische Bedingungen weitgehend zu berücksichtigen und greift dabei zumeist auf die Verarbeitung von Kunststoffen, aber auch Naturstoffen zurück, die sich bereits als anwendbar für Zellkulturen erwiesen haben.

Anwendungen

Die 3D-Zellkultur wird zunehmend in der Pharmakologie zum teilweisen Ersatz von Versuchstieren und 2D-Zellkulturen verwendet.[2][3][4] Daneben eignet sie sich besser zum High-Throughput-Screening als Versuchstiere,[5] verzichtet dabei jedoch auf die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen den Organen in einem Organismus.[6] Es gibt Hinweise, dass ein organähnliches Verhalten der Zellkultur zu aussagekräftigeren Ergebnissen führt, wenn die Wirkungsweise eines neuen Medikamentes getestet werden soll und dabei Rückschlüsse bezüglich seiner Pharmakokinetik und Pharmakodynamik gezogen werden müssen. Es existieren verschiedene 3D-Organmodelle für den jeweiligen Eintritts- und Wirkungsort des Stoffes, so zum Beispiel für Haut, Leber, Bauchspeicheldrüse oder die Lunge. Andere Anwendungsgebiete sind die Erforschung von Stammzellen[7] oder auch die Tumorforschung.[8] Außerdem finden 3D-Zellkulturen Einsatz im Forschungsbereich Regenerative Medizin, um beispielsweise Implantate für Knorpel zu erzeugen oder um Wundheilungsprozesse zu erleichtern. Weiterhin werden 3D-Zellkulturen zur Erzeugung von In-vitro-Fleisch verwendet.

Einzelnachweise

E. Carletti, A. Motta, C. Migliaresi: Scaffolds for tissue engineering and 3D cell culture. In: Methods in molecular biology (Clifton, N.J.). Band 695, 2011, S. 17–39, ISSN 1940-6029. doi:10.1007/978-1-60761-984-0_2. PMID 21042963.
C. Godugu, A. R. Patel, U. Desai, T. Andey, A. Sams, M. Singh: AlgiMatrix? based 3D cell culture system as an in-vitro tumor model for anticancer studies. In: PLoS ONE. Band 8, Nummer 1, 2013, S. e53708, ISSN 1932-6203. doi:10.1371/journal.pone.0053708. PMID 23349734. PMC 3548811 (freier Volltext).
X. J. Li, A. V. Valadez, P. Zuo, Z. Nie: Microfluidic 3D cell culture: potential application for tissue-based bioassays. In: Bioanalysis. Band 4, Nummer 12, Juni 2012, S. 1509–1525, ISSN 1757-6199. doi:10.4155/bio.12.133. PMID 22793034. PMC 3909686 (freier Volltext).
S. L. Ryan, A. M. Baird, G. Vaz, A. J. Urquhart, M. Senge, D. J. Richard, K. J. O'Byrne, A. M. Davies: Drug Discovery Approaches Utilizing Three-Dimensional Cell Culture. In: Assay and Drug Development Technologies. Band 14, Nummer 1, 2016 Jan-Feb, S. 19–28, doi:10.1089/adt.2015.670, PMID 26866750.
M. Rimann, B. Angres, I. Patocchi-Tenzer, S. Braum, U. Graf-Hausner: Automation of 3D Cell Culture Using Chemically Defined Hydrogels. In: Journal of Laboratory Automation: JALA [elektronische Veröffentlichung vor dem Druck] Oktober 2013, ISSN 2211-0682. doi:10.1177/2211068213508651. PMID 24132162.
D. Huh, G. A. Hamilton, D. E. Ingber: From 3D cell culture to organs-on-chips. In: Trends in cell biology. Band 21, Nummer 12, Dezember 2011, S. 745–754, ISSN 1879-3088. doi:10.1016/j.tcb.2011.09.005. PMID 22033488.
X. Meng, P. Leslie, Y. Zhang, J. Dong: Stem cells in a three-dimensional scaffold environment. In: SpringerPlus. Band 3, 2014, S. 80, doi:10.1186/2193-1801-3-80, PMID 24570851, PMC 3931863 (freier Volltext) (Review).
M. Leung, F. M. Kievit, S. J. Florczyk, O. Veiseh, J. Wu, J. O. Park, M. Zhang: Chitosan-alginate scaffold culture system for hepatocellular carcinoma increases malignancy and drug resistance. In: Pharmaceutical research. Band 27, Nummer 9, September 2010, S. 1939–1948, doi:10.1007/s11095-010-0198-3, PMID 20585843, PMC 2917619 (freier Volltext).

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[1] E. Carletti, A. Motta, C. Migliaresi: Scaffolds for tissue engineering and 3D cell culture. In: Methods in molecular biology (Clifton, N.J.). Band 695, 2011, S. 17–39, ISSN 1940-6029. doi:10.1007/978-1-60761-984-0_2. PMID 21042963.

[2] C. Godugu, A. R. Patel, U. Desai, T. Andey, A. Sams, M. Singh: AlgiMatrix? based 3D cell culture system as an in-vitro tumor model for anticancer studies. In: PLoS ONE. Band 8, Nummer 1, 2013, S. e53708, ISSN 1932-6203. doi:10.1371/journal.pone.0053708. PMID 23349734. PMC 3548811 (freier Volltext).

[3] X. J. Li, A. V. Valadez, P. Zuo, Z. Nie: Microfluidic 3D cell culture: potential application for tissue-based bioassays. In: Bioanalysis. Band 4, Nummer 12, Juni 2012, S. 1509–1525, ISSN 1757-6199. doi:10.4155/bio.12.133. PMID 22793034. PMC 3909686 (freier Volltext).

[4] S. L. Ryan, A. M. Baird, G. Vaz, A. J. Urquhart, M. Senge, D. J. Richard, K. J. O'Byrne, A. M. Davies: Drug Discovery Approaches Utilizing Three-Dimensional Cell Culture. In: Assay and Drug Development Technologies. Band 14, Nummer 1, 2016 Jan-Feb, S. 19–28, doi:10.1089/adt.2015.670, PMID 26866750.

[5] M. Rimann, B. Angres, I. Patocchi-Tenzer, S. Braum, U. Graf-Hausner: Automation of 3D Cell Culture Using Chemically Defined Hydrogels. In: Journal of Laboratory Automation: JALA [elektronische Veröffentlichung vor dem Druck] Oktober 2013, ISSN 2211-0682. doi:10.1177/2211068213508651. PMID 24132162.

[6] D. Huh, G. A. Hamilton, D. E. Ingber: From 3D cell culture to organs-on-chips. In: Trends in cell biology. Band 21, Nummer 12, Dezember 2011, S. 745–754, ISSN 1879-3088. doi:10.1016/j.tcb.2011.09.005. PMID 22033488.

[7] X. Meng, P. Leslie, Y. Zhang, J. Dong: Stem cells in a three-dimensional scaffold environment. In: SpringerPlus. Band 3, 2014, S. 80, doi:10.1186/2193-1801-3-80, PMID 24570851, PMC 3931863 (freier Volltext) (Review).

[8] M. Leung, F. M. Kievit, S. J. Florczyk, O. Veiseh, J. Wu, J. O. Park, M. Zhang: Chitosan-alginate scaffold culture system for hepatocellular carcinoma increases malignancy and drug resistance. In: Pharmaceutical research. Band 27, Nummer 9, September 2010, S. 1939–1948, doi:10.1007/s11095-010-0198-3, PMID 20585843, PMC 2917619 (freier Volltext).