Mezenchymalne komórki macierzyste/zrębowe (MSC) wykazały duży potencjał dla różnych podejść medycyny regeneracyjnej. MSCs zostały początkowo wyizolowane jako składnik zrębowy szpiku kostnego, ale od tego czasu uzyskano je z wielu innych tkanek dorosłych, w tym tkanki tłuszczowej1,2,3. Co ciekawe, główna metoda izolacji wykorzystuje niezwykłą właściwość MSC, polegającą na ścisłym przyleganiu do plastiku hodowli tkankowej w obecności płodowej surowicy bydlęcej (FBS). Chociaż ta tradycyjna technika izolacji pozwala na łatwą i szybką ekspansję MSCs w kulturze dwuwymiarowej (2D), jest ona również bardzo sztuczna i ignoruje znaczenie natywnego środowiska trójwymiarowego (3D), prowadząc do potencjalnej utraty ważnych cech komórkowych4,5,6. W związku z tym rozpoczęto badania nad MSCs w kulturach 3D, które są bardziej fizjologiczne niż tradycyjne kultury 2D, w poszukiwaniu "utraconych/osłabionych" cech MSC. Co więcej, wzrosło duże zainteresowanie identyfikacją chemicznie zdefiniowanych warunków hodowli i aktywacji MSC, wolnych od ksenotypów (XF), a tym samym uczynieniem komórek bardziej podatnymi na zastosowania kliniczne.
Opublikowano wiele badań demonstrujących hodowlę 3D MSCs zarówno w biomateriałach, jak i jako sferyczne agregaty lub sferoidy. MSCs w biomateriałach zostały początkowo zaprojektowane z myślą o podejściach inżynierii tkankowej w celu zastąpienia uszkodzonych tkanek rusztowaniami wysiewanymi przez komórki, podczas gdy sferoidalne hodowle MSCs były postrzegane jako sposób na zrozumienie zachowania MSC in vivo po podaniu komórek do terapii w badaniach przedklinicznych lub klinicznych4,5,7. Co ciekawe, MSC tworzą sferoidy spontanicznie, gdy przyleganie do plastiku hodowli tkankowej jest niedozwolone8,9,10. Tradycyjnie, agregacja komórek była ułatwiona za pomocą metod kolb wirujących lub technik nakładania cieczy, metod stosowanych początkowo w biologii nowotworów w celu naśladowania mikrośrodowiska guza. Niedawno pojawiły się dodatkowe metody, które pokazują agregację komórek w szalkach hodowlanych wstępnie pokrytych określonymi substancjami chemicznymi, aby zapobiec przyleganiu komórek do plastiku4,5,6. Jedną z najprostszych i najbardziej ekonomicznych metod generowania sferoid MSC jest hodowla ich w wiszących kroplach, technika, która była często stosowana do produkcji ciał embrionalnych z embrionalnych komórek macierzystych. Dzięki technice hodowli wiszącej zapobiega się przyleganiu komórek do plastiku hodowli tkankowej poprzez zawieszenie komórek w kropli pożywki na spodniej stronie pokrywy naczynia do hodowli tkankowej i umożliwienie grawitacji ułatwienia agregacji komórek w wierzchołku kropli. Wielkością sferoidy można łatwo manipulować, zmieniając stężenie komórek lub objętość kropli, dzięki czemu wiszące kultury kropelkowe są szczególnie łatwe do kontrolowania.
Wczesne badania nad hodowlą 3D MSCs wykazały radykalne różnice w charakterystyce komórek w 3D w porównaniu do ich odpowiedników 2D6,8,9. Jednocześnie raporty wykazały, że korzystne działanie MSCs in vivo zależy od ich zdolności do aktywacji przez sygnały mikrośrodowiskowe i w odpowiedzi do wytwarzania czynników przeciwzapalnych i immunomodulujących11. Co ciekawe, wiele z tych czynników, takich jak prostaglandyna E2 (PGE2), gen 6 stymulowany czynnikiem martwicy nowotworów (TSG6) i czynnik wzrostu hepatocytów (HGF) było wytwarzanych w znacznie większych ilościach przez sferoidy MSC niż tradycyjne MSC 2D, torując drogę do pomysłu wykorzystania kultur 3D do aktywacji komórek8,12,13. Co więcej, aktywacja genów w hodowlach 3D wydaje się podsumowywać mechanizmy, przynajmniej częściowe, aktywacji komórek po wstrzyknięciu myszom12. Poprzez aktywację MSCs przed ich użyciem w eksperymentach, efekty działania komórek mogą być przedłużone i bardziej widoczne, ponieważ tradycyjny efekt MSC in vivo jest często opóźniony i przemijający i można go opisać jako "uderzenie i ucieczka". W ciągu ostatnich kilku lat ważne badania funkcjonalne z wykorzystaniem sferoid MSC wykazały, że mogą one tłumić reakcje zapalne i modulować odporność in vivo poprzez wpływ na komórki efektorowe, takie jak makrofagi, komórki dendrytyczne, neutrofile i limfocyty T, dzięki czemu sferoidy są atrakcyjną formą zagruntowanych MSCs2,3. Ponadto produkcja cząsteczek przeciwnowotworowych, takich jak interleukina-24 (IL-24) i ligand indukujący apoptozę związaną z czynnikiem martwicy nowotworu (TRAIL), jest zwiększona w hodowlach 3D MSC w porównaniu z jednowarstwowymi MSC, zjawisko, które można wykorzystać w celowanych terapiach przeciwnowotworowych8,10,14.
Ponieważ tradycyjna hodowla MSC wymagała nie tylko użycia plastiku do hodowli tkankowych, ale także FBS, trzeba było pokonać kolejną przeszkodę, aby sferoidy MSC stały się bardziej podatne na zastosowanie kliniczne. Aby poradzić sobie z tą przeszkodą, niedawno wykazaliśmy tworzenie się sferoid MSC w określonych, chemicznie zdefiniowanych warunkach XF i ustaliliśmy, że powstałe sferoidy MSC zostały aktywowane w celu wytworzenia tych samych cząsteczek przeciwzapalnych i przeciwnowotworowych, co sferoidy generowane w warunkach z FBS14. W tym miejscu wyniki te zostały przedstawione w kilku szczegółowych protokołach, które demonstrują generowanie wstępnie aktywowanych MSC w kulturach 3D przy użyciu pożywek XF. Ponadto przedstawiono protokoły, które opisują skuteczne sposoby oceny poziomów aktywacji MSCs w odniesieniu do ich działania przeciwzapalnego, immunomodulującego i przeciwnowotworowego, wraz z praktyczną metodą dostarczania nienaruszonych sferoid myszom.