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Tradicionalmente, ensaios baseados em células têm sido realizados em monocamadas crescendo em um substrato sólido, que efetivamente pode ser considerado como um ambiente bidimensional (2D). No entanto, está se tornando cada vez mais reconhecido que os modelos de cultura celular 2D carecem de relevância fisiológica em alguns contextos e não conseguem replicar muitas das interações complexas que ocorrem entre as células1. Os métodos de cultura celular tridimensional (3D) estão rapidamente se tornando populares entre os pesquisadores, e modelos de células 3D mostram alto potencial para imitar melhor as condições fisiológicas encontradas pelas células no ambiente tecidual2. Existem vários tipos diferentes de conjuntos de células 3D que foram empregados, mas os dois tipos mais comuns são esferoides e organoides. Esferoides podem ser cultivados a partir de muitas linhas celulares diferentes, e eles podem adotar várias formas e tamanhos, dependendo do tipo de célula usada e seu método de montagem3. Além disso, os esferoides também podem ser chamados de esferoides de tumores multicelulares (MCTS) quando são cultivados a partir de linhas de células cancerosas, e esses modelos têm encontrado uso especial para estudos pré-clínicos de entrega de medicamentos in vitro e toxicidade4,5. Os organoides, por outro lado, visam imitar melhor os tecidos e órgãos do nosso corpo e podem adotar arranjos morfológicos mais complexos. A produção de organoides envolve o uso de células-tronco adultas ou células-tronco pluripotentes, que podem ser reprogramadas nas células apropriadas para se assemelhar ao tecido ou órgão de interesse. Eles são usados principalmente para investigar o desenvolvimento de órgãos e para modelar doenças e interações hospedeiro-patógeno6.
Há uma gama de diferentes métodos usados para gerar conjuntos de células 3D. Os métodos baseados em andaimes fornecem um substrato ou suporte ao qual as células podem se conectar ou crescer dentro. Estes andaimes podem ter várias formas e podem ser feitos a partir de uma variedade de materiais diferentes. Os mais comuns são componentes e hidrogéis de matriz extracelular (ECM), e são projetados para se assemelhar ao ambiente extracelular natural das células e, assim, facilitar interações fisiológicas4,7. O material do porão ECM foi extraído do tumor de sarcoma do rato Engelbreth-Holm-Swarm e mostrado conter uma rica mistura de componentes ECM, incluindo laminina, colágeno tipo IV e perlecan8. No entanto, apesar de sua composição vantajosa, há dois desafios principais com seu uso, ou seja, sua variabilidade lote-a-lote e que possui dois estados agregados diferentes abaixo e acima de 10 °C8,9. Em contraste, os hidrogéis têm a vantagem de serem flexíveis em relação aos seus componentes e rigidez, e podem ser personalizados para se adequarem ao conjunto específico de células 3D desejado7,10. Métodos à base de andaimes são essenciais para o crescimento organoide, mas também são amplamente utilizados para esferoides. Métodos livres de andaimes, que funcionam impedindo que as células se conectem à superfície em que estão crescendo, geralmente são compatíveis apenas com o conjunto esferoide. Exemplos incluem placas de fixação ultra-baixa (ULA), com fundo plano ou fundo U, que permitem a agregação das células em esferoides, ou o uso de agitação contínua das células em frascos rotadores/rotatório10.
O uso de conjuntos de células 3D para estudar uma grande variedade de eventos biológicos está rapidamente ganhando popularidade; no entanto, é essencial que o método escolhido para sua cultura seja apropriado e compatível com os planos para sua análise a jusante. Por exemplo, o uso de placas ULA gera esferoides de alta consistência; no entanto, este método está restrito à produção de um único esferoide por bem, limitando assim o rendimento. Consideração especial é necessária quando a imagem de fluorescência da estrutura 3D é planejada. O substrato ou placa em que o conjunto é cultivado precisa ser opticamente compatível, e deve-se tomar cuidado para minimizar os efeitos da dispersão de luz causada por quaisquer andaimes que possam ter sido usados11. Este problema em particular torna-se mais agudo à medida que a abertura numérica das lentes objetivas do microscópio aumenta.
Sem dúvida, uma das principais razões para selecionar para trabalhar com um modelo de célula 3D é extrair dados de imagem volumosa sobre não apenas todo o conjunto, mas também as células individuais dentro dele. Os modelos MCTS, em particular, estão começando a se mostrar muito poderosos para aprofundar nossa compreensão de como a terapêutica transita de fora para as células centrais (como precisariam em um tumor)12, e assim ganhar conhecimento de células individuais em diferentes camadas é essencial. A tecnologia de imagem que extrai informações quantitativas de células individuais é denominada análise de alto conteúdo (HCA) e é uma abordagem poderosa no contexto da triagem13. Até o momento, o HCA tem sido aplicado quase exclusivamente às culturas de monocamadas, mas há uma percepção crescente de que essa abordagem tem o poder de ser aplicada às culturas 3D, permitindo que uma ampla gama de funções e processos celulares sejam estudados14. Teria a clara vantagem de que um grande número de conjuntos 3D poderia ser analisado, potencialmente fornecendo dados de nível celular de cada estrutura. No entanto, os desafios associados à imagem de conjuntos celulares potencialmente espessos, bem como os grandes conjuntos de dados gerados, precisam ser superados.
Neste artigo, é apresentado um método robusto baseado em andaimes para a produção em larga escala de MCTS em formato de 96 poços. O método facilita a produção de várias centenas de conjuntos de células 3D em cada poço. Exemplos são mostrados para três tipos diferentes de células, representando modelos de tumor sólidos do fígado, pulmão e cólon. Os esferoides que formam podem ser de uma variedade de tamanhos, e por isso o HCA é usado para selecionar estruturas de um determinado tamanho e/ou morfologia. Este recurso fornece a vantagem adicional de que quaisquer fenótipos observados podem ser comparados entre esferoides de diferentes tamanhos, mas todos tratados da mesma forma no mesmo poço. Esta abordagem é compatível com imagens de alta resolução, fornecendo, importantemente, dados quantitativos de nível celular e subcelular dos mesmos conjuntos celulares. Este método de produção de esferoides tem a vantagem adicional sobre métodos que geram um único esferoide por permérito, que o grande número de esferoides produzidos em cada poço potencialmente fornecem biomassa suficiente para outras análises a jusante, como transcriptome e profilto de proteome.