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Apesar dos avanços na pesquisa biomédica, o desenvolvimento de ensaios in vitro fisiologicamente relevantes continua sendo um desafio. Um ensaio ideal deve acomodar uma gama diversificada de tipos de células, formulações de tratamento, escalas de tempo, instrumentação comercial e leituras analíticas para atender às necessidades de pesquisadores em várias disciplinas. No entanto, devido à falta de ferramentas adequadas, os pesquisadores muitas vezes contam com modelos simplistas, como monocamadas 2D de linhagens celulares imortalizadas, que não conseguem recapitular a complexidade e a relevância clínica, particularmente na pesquisa do câncer 1,2. Para resolver isso, o biobanco de tumores em larga escala e a colaboração de médicos impulsionaram o desenvolvimento de modelos in vitro de alta fidelidade, como organoides tumorais derivados de pacientes (PDOs), que retêm mais perfis genéticos e terapêuticos específicos do paciente em comparação com as linhagens celulares 3,4,5. Enquanto isso, os avanços na automação laboratorial e na descoberta de medicamentos exigem plataformas que se integram perfeitamente a fluxos de trabalho de alto rendimento. Embora as plataformas existentes abordem a fidelidade biológica ou a escalabilidade, poucas foram capazes de resolver os dois desafios simultaneamente 6,7,8. O desenvolvimento de modelos automatizados e de alto rendimento que repliquem as principais características da doença é crucial para o avanço da pesquisa biomédica e a aceleração da geração de dados para aplicações translacionais.
Numerosos modelos emergentes visam enfrentar os desafios associados à cultura de tipos de células especializadas, como PDOs, com alto rendimento (Figura 1). As plataformas padrão, onde os organoides são misturados com hidrogel em placas de 96 ou 384 poços, apresentam várias limitações: (i) o alto volume de células e gel leva ao acesso inconsistente a nutrientes, (ii) a curvatura do menisco do poço cria artefatos de imagem e gradientes celulares, (iii) a semeadura de hidrogel carece de uniformidade entre lotes e pessoal, (iv) incompatibilidade com fabricação automatizada e microscopia automatizada e (v) o uso de matriz extracelular (ECM) que normalmente é uma amostra de risco macia e frágil destruição em densidades fisiológicas de tecidos ou incorporação de tipos de células contráteis 1,9. Atualmente, a maioria dos estudos de PDO baseados em placas é conduzida semeando manualmente o gel celular na placa10,11 ou um método de sobreposição de gel, onde o hidrogel é diluído com um meio menos viscoso e as células são centrifugadas no fundo do poço para colocá-las no plano óptico apropriado12,13. Ambas as abordagens falham em fornecer suporte mecânico para a cultura de longo prazo. Com base em nossas observações anteriores (dados não publicados), o hidrogel comercial misturado com células em placas de poços padrão se contrai das superfícies do poço por 9 dos 12 poços ao longo de 12 dias, enquanto o método de sobreposição de gel carece de interações fisiológicas célula-matriz. Além disso, as culturas resultantes não podem ser mantidas por longos períodos devido a limitações de espaço dentro do poço e são incompatíveis com ensaios que requerem uma alta proporção de reagente para meio celular 14,15,16. Essas barreiras práticas dificultam a adoção de modelos 3D e limitam a reprodutibilidade experimental em todo o campo.

Figura 1: Avaliação de modelos de cultura com base na escalabilidade e relevância biológica. O posicionamento relativo de vários sistemas de cultura in vitro e in vivo ao longo da escalabilidade (eixo y), definida pelo rendimento da placa, e relevância biológica (eixo x), destacando os trade-offs entre o potencial de rendimento e a fidelidade fisiológica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Motivados por esses desafios, a alta porosidade e o reforço mecânico de um andaime fino de celulose foram aproveitados para desenvolver a Plataforma Suportada por Andaimes para Tecidos à Base de Organoides (SPOT), disponível nos formatos de 96 e 384 poços. O SPOT incorpora um andaime pré-padronizado de polímero usando um método de infiltração desenvolvido anteriormente17 que corresponde ao layout da placa, permitindo a colocação precisa de gotículas de célula-gel e fornecendo suporte estrutural para a fase de hidrogel (Figura 2A). A absorção capilar no andaime guia a solução célula-gel, formando uma rede de biocompósitos reforçada mecanicamente (Figura 2B). Devido à estrutura porosa do andaime, o gel celular se infiltra e forma uma camada fina (aproximadamente 70 μm de espessura), exigindo dez vezes menos quantidade de gel celular para cobrir o fundo do poço14. A compatibilidade do SPOT com PDOs de adenocarcinoma ductal pancreático (PDAC) também foi demonstrada avaliando seu crescimento usando ensaios metabólicos e medições baseadas em imagens. Desde o seu desenvolvimento, o SPOT demonstrou versatilidade e usabilidade significativas para pesquisadores envolvidos na cultura de organoides. Além disso, o design do SPOT acomoda escalabilidade amigável, com volumes reduzidos de reagentes e recursos de imagem aprimorados por meio de sua geometria de microgel plana e sem menisco, garantindo penetração uniforme de luz e imagens precisas de alto conteúdo14 (Figura 2C, D). O SPOT também suporta co-cultura com outros tipos de células relevantes, como fibroblastos, para recapitular melhor o microambiente tumoral18.

Figura 2: Visão geral do dispositivo 96-SPOT e fluxo de trabalho de análise de imagem. (A) Representação esquemática da fabricação da placa SPOT: o dispositivo é montado agrupando uma placa de poço comercial sem fundo (superior), andaime com padrão de PMMA (mostrado em azul) e filme de policarbonato (abaixo) usando camadas de adesivo poliacrílico de dupla face (mostrado em amarelo). (B) Semeadura de células no poço de andaime: as células são suspensas em um hidrogel não polimerizado (mostrado em rosa) e pipetadas em cada poço onde se infiltram no andaime. O hidrogel é então deixado gelificar para encapsular as células dentro do hidrogel suportado por andaime. (C) Microscopia: o microtecido resultante pode ser visualizado usando microscopia automatizada de campo amplo. (D) Análise baseada em imagem: Imagens adquiridas de células fluorescentes (verde) suspensas em gel podem ser analisadas usando pipelines de análise de imagem padrão. Imagem de microscopia de epifluorescência representativa de células KP4 que expressam GFP em um poço de 96 SPOT. A barra de escala é de 500 μm. Este número foi modificado de14. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Outra vantagem do SPOT é que o sistema pode ser integrado a um manipulador de líquidos de código aberto, facilitando a fabricação automatizada e reprodutível de culturas de DOP. Esse avanço reduz a variabilidade do usuário e oferece suporte a projetos experimentais complexos, incluindo triagem de medicamentos de alto rendimento e abordagens de medicina personalizada18. O SPOT também demonstrou ser compatível com a caracterização multiplexada baseada em célula única de fenótipos celulares em ambientes tumorais heterogêneos e a recuperação das células sob demanda do SPOT por digestão18. Esses recursos posicionam o SPOT como uma ferramenta versátil para aplicações de triagem, onde dados longitudinais de alta resolução são essenciais para avaliar a eficácia do medicamento e o comportamento celular em condições fisiologicamente relevantes14,18. Ao combinar essas inovações técnicas, o SPOT aborda limitações críticas nos sistemas tradicionais de cultura 3D.
Este protocolo fornece um guia abrangente para a fabricação de componentes SPOT, placas de montagem e métodos de semeadura para culturas organoides 3D robustas e reprodutíveis. Inclui instruções detalhadas para semeadura manual de placas usando uma micropipeta e fluxos de trabalho de semeadura automatizados com um manipulador de líquidos, que suporta formatos de 96 e 384 poços. Além disso, este protocolo descreve medidas essenciais de controle de qualidade, como verificar a distribuição uniforme do gel e a integridade do andaime, para manter altos padrões experimentais. Estratégias de solução de problemas também são fornecidas para resolver problemas comuns, como infiltração incompleta de gel, evaporação durante a semeadura e desprendimento de andaimes, equipando os pesquisadores com soluções práticas para otimizar seus fluxos de trabalho e obter resultados confiáveis.
O SPOT foi projetado para preencher as lacunas que os ensaios organoides tradicionais enfrentam, incluindo desafios relacionados à realização de ensaios e mudanças de meio, preservando a integridade do gel 10,11,12,13. O objetivo geral deste método é fabricar uma plataforma suportada por andaimes que suporte a cultura de organoides por um período de 12 dias. Além disso, este método também abrange a geração de matrizes de tecidos no SPOT por meio de semeadura manual ou assistida por manipulador de líquidos para permitir que os usuários realizem qualquer perturbação a jusante, incluindo ensaios de IC50 de drogas e triagem de moléculas pequenas.