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La coltura cellulare è uno strumento indispensabile per scoprire i meccanismi biologici fondamentali coinvolti nello sviluppo, nella funzione, nella rigenerazione e nella distruzione dei tessuti e degli organi, e nella malattia. Sebbene la coltura cellulare 2D monostrato abbia predominato, la ricerca recente si è spostata verso colture che generano strutture 3D più riflettenti delle risposte cellulari in vivo, in particolare a causa dell'organizzazione spaziale aggiuntiva e dei contatti cellula-cellula che influenzano l'espressione genica e il comportamento cellulare e potrebbero quindi fornire dati più predittivi7. Tuttavia, rimangono molte sfide, tra cui la necessità di tecniche di colorazione e imaging user-friendly per la visualizzazione microscopica dettagliata e la valutazione di strutture 3D complesse a livello cellulare e subcellulare. In tale contesto, sono stati forniti protocolli dettagliati, robusti e complementari per eseguire la colorazione e l'imaging con risoluzione cellulare e subcellulare di modelli fissi di colture cellulari 3D in vitro di dimensioni comprese tra 100 μm e diversi millimetri.
Questa procedura presenta due diverse strategie per affrontare una grande varietà di dimensioni e tipi di modelli di coltura cellulare 3D in vitro. La scelta dell'uno (analisi 3D a montaggio intero) o dell'altro (analisi di sezionamento 2D) dipenderà dal modello utilizzato e dal problema esaminato. L'analisi 3D a montaggio intero mediante microscopia confocale consente la visualizzazione di cellule con un campo di profondità fino a 200 μm, indipendentemente dalle dimensioni complessive della struttura 3D, mentre il sezionamento 2D è applicabile a campioni di qualsiasi dimensione, ma la visualizzazione rimane dimensionale 2D. Di seguito sono riportati alcuni suggerimenti per la risoluzione dei problemi e considerazioni tecniche.
La perdita di strutture 3D durante il flusso di lavoro è lo svantaggio più comune. Possono rimanere aderenti alle punte e ai tubi, motivo per cui è fondamentale preverniciare punte e tubi con soluzione PBS-BSA allo 0,1%. Inoltre, è fondamentale lasciare che le strutture 3D sedimentino tra i cambiamenti del reagente ed eseguire tutto il pipettaggio con molta attenzione. Come menzionato nella procedura, per tutte le fasi, se la sedimentazione della struttura 3D è troppo lunga, le cellule possono essere fatte girare delicatamente a 50 × g per 5 minuti a RT. A seconda dello scopo dello studio, i vantaggi / svantaggi di tale fase di rotazione dovrebbero essere considerati in quanto la centrifugazione può compromettere la forma delle strutture 3D. Inoltre, bisogna fare attenzione a preservare questa morfologia durante la fase di fissazione perché gli organoidi cistici tendono a collassare. Il fissaggio di strutture di dimensioni inferiori a 400 μm dovrebbe impedire cambiamenti strutturali.
Per una marcatura immunologica ottimale, il recupero degli organoidi dalle loro matrici 3D è un passo cruciale. La matrice 3D può impedire un'adeguata penetrazione degli anticorpi o portare a un'elevata colorazione dello sfondo a causa del legame non specifico alla matrice. La rimozione della ECM può alterare la morfologia dei segmenti esterni degli organoidi (in particolare nel caso di piccole sporgenze cellulari che si estendono da strutture 3D studiate) e ostacolare parzialmente le analisi. Per tali strutture 3D, la matrice può essere mantenuta durante tutta la procedura; Tuttavia, le condizioni di coltura devono essere attentamente adattate per far crescere le cellule in una quantità minima di matrice per evitare una penetrazione insufficiente di soluzioni e anticorpi ed evitare fasi di lavaggio successive volte a ridurre l'eccessivo rumore di fondo 6,8.
La fase di pulizia ottica descritta in questo protocollo nella sezione di colorazione 3D dell'intero montaggio è pertinente per l'imaging di strutture 3D fino a 150-200 μm di profondità anziché 50-80 μm senza clearing. Rispetto ad altre metodologie di compensazione che spesso richiedono diverse settimane e utilizzano agenti di compensazione tossici, in questo protocollo 4,9 è stata utilizzata una fase di compensazione rapida e sicura precedentemente pubblicata. Inoltre, questa fase di pulizia è reversibile e nuovi anticorpi possono essere aggiunti alla colorazione iniziale senza perdita di risoluzione o luminosità4. Tuttavia, a seconda del modello di coltura cellulare 3D studiato, una profondità di 150-200 μm potrebbe non essere sufficiente per visualizzare la struttura 3D in modo informativo e questo protocollo di compensazione può causare cambiamenti nella morfologia generale degli organoidi sferici monostrato con grandi lumen4. Gli utenti dovrebbero progettare attentamente il loro esperimento e, se necessario, ottimizzare i tempi della fase di permeabilizzazione / blocco (per consentire la penetrazione degli anticorpi e della soluzione), la fase di compensazione (per penetrare più in profondità di 200 μm, i campioni dovrebbero essere completamente eliminati) e l'acquisizione delle immagini. Le due tecnologie più diffuse disponibili nelle strutture principali sarebbero il foglio leggero e la microscopia confocale. Gli utenti dovranno scegliere attentamente una tecnologia in base alle dimensioni delle loro strutture 3D e alla loro domanda biologica10. Tuttavia, rispetto alla microscopia confocale, la risoluzione al microscopio a foglio di luce ottenuta per strutture così profonde rimane subottimale per ottenere la risoluzione subcellulare.
Qui, è stato riportato un processo dettagliato e robusto dedicato all'incorporazione di paraffina di singoli campioni. È interessante notare che Gabriel et al. hanno recentemente sviluppato un protocollo che incorpora colture cellulari 3D in paraffina con una maggiore produttività. Hanno usato uno stampo in polidimetilsilossano (PDMS) per confinare 96 strutture 3D in un modello di microarray in un unico blocco, fornendo nuove prospettive per studi su modelli tumorali 3D che comprendono più gruppi, punti temporali, condizioni di trattamento e repliche11. Tuttavia, questo metodo richiede competenze e macchinari approfonditi, in particolare per la fabbricazione del prestampo utilizzato per creare stampi PDMS.
In sintesi, questo articolo descrive due approcci diversi, complementari e adattabili che consentono l'acquisizione di informazioni accurate e quantitative sulla composizione architettonica e cellulare dei modelli cellulari 3D. Entrambi i parametri sono cruciali per lo studio di processi biologici come l'eterogeneità cellulare intratumorale e il suo ruolo nella resistenza ai trattamenti.