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Tradizionalmente, i saggi basati su cellule sono stati eseguiti in monostrati che crescono su un substrato solido, che può effettivamente essere considerato come un ambiente bidimensionale (2D). Tuttavia, sta diventando sempre più riconosciuto che i modelli di coltura cellulare 2D mancano di rilevanza fisiologica in alcuni contesti e non possono replicare molte delle complesse interazioni che si verificano tra le cellule1. I metodi di coltura cellulare tridimensionale (3D) stanno rapidamente diventando popolari tra i ricercatori e i modelli cellulari 3D mostrano un alto potenziale per imitare meglio le condizioni fisiologiche incontrate dalle cellule nell'ambiente tissutale2. Esistono diversi tipi di assemblaggi di celle 3D che sono stati impiegati, ma i due tipi più comuni sono sferoidi e organoidi. Gli sferoidi possono essere coltivati da molte linee cellulari diverse e possono adottare varie forme e dimensioni a seconda del tipo di cellula utilizzata e del loro metodo di assemblaggio3. Inoltre, gli sferoidi possono anche essere indicati come sferoidi tumorali multicellulari (MCTS) quando sono cresciuti da linee cellulari tumorali, e questi modelli hanno trovato particolare uso per la somministrazione preclinica in vitro di farmaci e studi di tossicità4,5. Gli organoidi, d'altra parte, mirano a imitare meglio i tessuti e gli organi del nostro corpo e possono adottare disposizioni morfologiche più complesse. La produzione di organoidi comporta l'uso di cellule staminali adulte o cellule staminali pluripotenti, che possono essere riprogrammate nelle cellule appropriate per assomigliare al tessuto o all'organo di interesse. Sono utilizzati principalmente per studiare lo sviluppo di organi e per modellare malattie e interazioni ospite-patogeno6.
Esiste una gamma di metodi diversi utilizzati per generare assiemi di celle 3D. I metodi basati su scaffold forniscono un substrato o un supporto a cui le cellule possono attaccarsi o crescere all'interno. Queste impalcature possono avere varie forme e possono essere realizzate con una varietà di materiali diversi. I più comuni sono i componenti della matrice extracellulare (ECM) e gli idrogel, e sono progettati per assomigliare all'ambiente extracellulare naturale delle cellule e quindi facilitare le interazioni fisiologiche4,7. Il materiale basale ECM è stato estratto dal tumore del sarcoma del topo Engelbreth-Holm-Swarm e ha dimostrato di contenere una ricca miscela di componenti ECM, tra cui laminina, collagene di tipo IV e perlecan8. Tuttavia, nonostante la sua composizione vantaggiosa, ci sono due sfide principali con il suo uso, vale a dire la sua variabilità da lotto a lotto e che ha due diversi stati aggregati al di sotto e al di sopra di 10 °C8,9. Al contrario, gli idrogel hanno il vantaggio di essere flessibili rispetto ai loro componenti e alla rigidità e possono essere personalizzati per adattarsi allo specifico assemblaggio di celle 3D desiderato7,10. I metodi basati su scaffold sono essenziali per la crescita degli organoidi, ma sono anche ampiamente utilizzati per gli sferoidi. I metodi senza impalcature, che funzionano impedendo alle cellule di attaccarsi alla superficie su cui stanno crescendo, sono solitamente compatibili solo con l'assemblaggio sferoide. Gli esempi includono piastre di attacco ultra-basso (ULA), con fondo piatto o fondo a U, che consentono l'aggregazione delle cellule in sferoidi o l'uso di agitazione continua delle cellule in palloni spinner/rotazione10.
L'uso di assemblaggi cellulari 3D per studiare un'ampia varietà di eventi biologici sta rapidamente guadagnando popolarità; tuttavia, è essenziale che il metodo scelto per la loro cultura sia appropriato e compatibile con i piani per la loro analisi a valle. Ad esempio, l'uso di piastre ULA genera sferoidi di elevata consistenza; tuttavia, questo metodo è limitato alla produzione di un singolo sferoide per pozzetto, limitando così la produttività. Particolare considerazione è necessaria quando si pianifica l'imaging a fluorescenza della struttura 3D. Il substrato o la piastra su cui viene coltivato l'assemblaggio deve essere otticamente compatibile e occorre prestare attenzione per ridurre al minimo gli effetti della dispersione della luce causati da eventuali impalcature che potrebbero essere state utilizzate11. Questo particolare problema diventa più acuto all'aumentare dell'apertura numerica delle lenti degli obiettivi del microscopio.
Probabilmente uno dei motivi principali per scegliere di lavorare con un modello di cella 3D è quello di estrarre dati di imaging volumetrico non solo sull'intero assemblaggio ma anche sulle singole celle al suo interno. I modelli MCTS, in particolare, stanno iniziando a dimostrarsi molto potenti per approfondire la nostra comprensione di come le terapie transitano dall'esterno alle cellule centrali (come avrebbero bisogno in un tumore)12, e quindi acquisire conoscenze da singole cellule a diversi strati è essenziale. La tecnologia di imaging che estrae informazioni quantitative dalle singole cellule è definita analisi ad alto contenuto (HCA) ed è un approccio potente nel contesto dello screening13. Ad oggi, l'HCA è stato applicato quasi esclusivamente alle colture monostrato, ma c'è una crescente consapevolezza che questo approccio ha il potere di essere applicato alle colture 3D consentendo di studiare una vasta gamma di funzioni e processi cellulari14. Avrebbe il chiaro vantaggio che un gran numero di assiemi 3D potrebbe essere analizzato, fornendo potenzialmente dati a livello di cella da ogni struttura. Tuttavia, le sfide associate all'imaging di assemblaggi di celle potenzialmente spesse, nonché i grandi set di dati generati, devono essere superati.
In questo articolo viene presentato un robusto metodo basato su scaffold per la produzione su larga scala di MCTS in un formato a 96 pozzetti. Il metodo facilita la produzione di diverse centinaia di assemblaggi di celle 3D in ogni pozzo. Esempi sono mostrati per tre diversi tipi di cellule, che rappresentano modelli di tumore solido del fegato, del polmone e del colon. Gli sferoidi che si formano possono essere di una varietà di dimensioni, e quindi HCA viene utilizzato per selezionare strutture di una particolare dimensione e / o morfologia. Questa caratteristica fornisce l'ulteriore vantaggio che qualsiasi fenotipo osservato può essere confrontato tra sferoidi di diverse dimensioni, ma tutti trattati allo stesso modo nello stesso pozzo. Questo approccio è compatibile con l'imaging ad alta risoluzione, fornendo dati quantitativi sia a livello cellulare che subcellulare dagli stessi assemblaggi cellulari. Questo metodo di produzione di sferoidi ha l'ulteriore vantaggio rispetto ai metodi che generano un singolo sferoide per pozzo, che il gran numero di sferoidi prodotti in ciascun pozzo fornisce potenzialmente biomassa sufficiente per altre analisi a valle, come il trascrittoma e la profilazione del proteoma.