$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Znaczenie kultury 3D, która lepiej naśladuje środowiska biologiczne niż kultura 2D, jest znacznie podkreślone w hodowli komórek/tkanek1,2,3. Interakcja między komórkami a macierzą zewnątrzkomórkową (ECM) dostarcza ważnych wskazówek dotyczących morfogenezy4,5. Wiele formacji tkankowych może powstać tylko w środowiskach 3D, takich jak proces składania6,7, invagination8 i formacja rurkowa9,10. Jednak liczne trudności powstrzymują badaczy przed przejściem do eksperymentów 3D z eksperymentów 2D na talerzu. Jedną z głównych trudności w eksperymentach 3D jest kwestia obrazowania próbek 3D. W porównaniu z eksperymentami planarnymi, uzyskanie odpowiednich obrazów 3D jest nadal w wielu przypadkach wyzwaniem. W szczególności uzyskanie odpowiedniego obrazu 3D jest trudnym zadaniem, gdy wielkość próbki osiąga zakres milimetrowy ze względu na dużą głębię ogniskowej soczewek o małym powiększeniu. Na przykład głębia ogniskowej osiąga ponad 50 μm, gdy używany jest obiektyw o powiększeniu 10x, podczas gdy rozmiar pojedynczej komórki jest zwykle mniejszy niż 10 μm. Aby poprawić jakość obrazowania, opracowywane są zaawansowane technologicznie systemy mikroskopowe (np. mikroskopia dwufotonowa11 i light-sheet microscopy system12), ale ich dostępność jest ograniczona ze względu na ich wysoką cenę. Jako alternatywę opracowaliśmy wcześniej urządzenie do hybrydowej kostki żelowej (HGC)13. Urządzenie składa się z dwóch rodzajów hydrożeli: agarozy jako żelu podporowego oraz ECM takiego jak kolagen lub Matrigel jako żel hodowlany. HGC pozwala nam pobrać próbkę podczas hodowli i obrócić kostkę w celu uzyskania obrazowania wielokierunkowego, co rozwiązuje problem głębokości ogniskowej14.
Kolejną trudnością w eksperymentach 3D jest ich niska powtarzalność wynikająca ze słabej sterowalności środowisk 3D. W przeciwieństwie do hodowli płaskiej na plastikowym naczyniu, zmiany w początkowych warunkach hodowli łatwo występują w przestrzeni 3D otoczonej miękkim materiałem. Znaczna różnica w wynikach eksperymentu pogarsza poniższą analizę i maskuje mechanizmy leżące u jej podstaw. Opracowano wiele technologii inżynieryjnych w celu przestrzennego wyrównania pojedynczych komórek, takich jak bioprinting15,16, tkanie włókien17 i rusztowanie18, ale wymagają one skomplikowanego przetwarzania wstępnego lub specjalnie zaprojektowanego sprzętu. W przeciwieństwie do tego, opracowaliśmy metodologię osiągania wyrównania komórek 3D w klasie HGC19.
W tym protokole zilustrowaliśmy prostą procedurę z powszechnie używanym sprzętem do kontrolowania początkowego kształtu klastra komórek 3D w HGC. Po pierwsze, zademonstrowano proces produkcji HGC. Następnie mikroformy wytworzone za pomocą fotolitografii lub procesu obróbki skrawaniem umieszczono w HGC w celu wytworzenia kieszeni o dowolnym kształcie w ECM. Następnie, bardzo gęste komórki po odwirowaniu zostały wstrzyknięte do kieszeni w celu kontrolowania początkowego kształtu klastra komórek w HGC. Precyzyjnie kontrolowane skupisko komórek może być obrazowane z wielu kierunków dzięki HGC. Normalne ludzkie komórki nabłonka oskrzeli (NHBE) wykorzystano do zademonstrowania kontroli początkowego kształtu klastra komórkowego i obrazowania gałęzi z wielu kierunków w celu poprawy jakości obrazowania.