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3D-Zellkultur: Übersicht und Neuigkeiten

Auf dieser Seite versuchen wir eine Übersicht über die Grundlagen der 3D-Zellkultur von Zelllinien und primären Zellen zu geben. Es werden die Unterschiede zur klassischen 2D-Zellkultur erläutert und Beispiele für 3D-Modelle, Co-Kultur-Systeme und Anwendungsbereiche gegeben.

Wenn sie mehr erfahren wollen, schauen Sie sich gerne unseren Kurs zur 3D-Zellkultur an.

3D Zellkultur MSC Differenzierung

 

Grundlagen der 3D-Zellkultur

Was ist 3D-Zellkultur und wie unterscheidet sie sich von 2D Zellkultur?

Die normale Standardzellkultur wird für adhärente (anhaftende) Zellen auf Flaschen, Schalen, Platten etc. durchgeführt. Hierdurch haben die Zellen in Kultur nur eine Oberfläche mit der sie Kontakt haben und die Nachbarzellen sind nur in 2 Ebenen (2D) neben den Zellen engeordnet. Diese Form nennt man auch Monolayer-Wachstum, da die Zellen in einer Lage auf der Oberfläche wachsen. In einem 3D-System haben die Zellen in allen 3 Ebenen Kontakte. Entweder nur zur Oberfläche oder zu Nachbarzellen rings herum.

3D-Systeme werden erzeugt durch Kultur in/auf:

  • Extrazellulärer Matrix (z.B. Matrigel)
  • Gelen aus Collagen, Laktat oder Alginaten
  • Schwämmen
  • hängenden Tropfen (hanging drop method)
  • in speziellen Kulturgefäßen
    (z.B. Sphäroidplatten)

Zellen in 2D und 3D Zellkultur

Wie unterscheiden sich Zellen in 2D und 3D-Modellen?

2D und 3D-Kulturmodelle ergeben sehr unterschiedliche Zellen und Modelle. D.h. weder die Zellen noch die Ergebnisse sind wirklich vergleichbar. Die Übertragbarkeit auf Organismen oder Gewebe ist wahrscheinlich bei 3D-Modellen höher als bei 2D-Modellen, d.h. 3D-Modelle ergeben klinisch relevantere Ergebnisse. Manche Prozesse wie die wirkliche Differenzierung, Funktionalisierung oder Polarisierung lassen sich überhaupt nur in 3D-Modellen untersuchen. Folgende Merkmale und Eingenschaften der Zellen sind je in beiden Kultursystemen unterschiedlich:

  • Die Zell-Morphologie (Form)
  • Die Zell-Matrix(Oberflächen)-Kontakte
  • Die Zell-Zell-Kontakte
  • Das Migrationsverhalten
  • Das Proliferaionsverhalten
  • Das Differenzierungspotential
  • Die Polarität der Zellen
  • Reaktion auf zugeführte Agenzien und Testsubstanzen
  • Die Sauerstoffversorgung, pO2
  • Die Nährstoffversorgung
Keratinocyten in 2D Zellkultur 3D Hautmodell

 

Vorteile und Nachteile der 2D- und 3D-Zellkultur?

Zusammenfassend kann man folgende Vorteile und Nachteile der beiden Modelltypen aufführen:

2D-Zellkultur 3D-Zellkultur
  • ist schnell
  • ist viel langsamer
    (manche Modelle brauchen 6-8 Wochen, um zu wachsen)
  • produziert große Mengen an Zellen
  • produziert geringere Mengen an Zellen,
    es ist viel aufwendiger die Zellen zu kultiviren
  • kann einfach im High-throughput eingesetzt werden
  • schwieriger im High-throughput zu verwenden,
    Spezialmaterial nötig
  • ist günstig
  • ist teurer oder sehr teuer
  • refektiert nicht die natürliche Umgebung im Gewebe
  • spiegelt die natürliche Umgebung besser oder sehr gut wieder
  • erlaubt nicht alle Prozesse und Effekte zu untersuchen
  • erlaubt mehr Prozesse zu untersuchen
  • wird meist mit Zellinien gemacht (90-95%)
  • die meisten Modelle brachen Primärzellen
    (außer in der Krebsforschung)
  • Kontaminationen zerstören die Arbeits von ca. 1 Woche
  • Kontaminationen zerstören die Arbeits von bis zu 6-8 Wochen



 

3D-Zellkultur Modelle

Zellen können auf verschiedene Arten in 3D kultiviert werden. Hier sind einige der wichtigsten Modell-Typen und Beispiele für spezielle 3D-Modelle aufgeführt:

  • Kultur in Transwells (nur bedingt ein 3D-Modell)
    • Transport-Modelle mit Epithelzellen oder Endothelzellen
      • Polarisierung der Zellen (apikale und basolaterale Polarisierung)
      • Zugabe von zwei Seiten möglich
      • Transportstudien
    • Migrationsmodelle
      • Nur ein Zelltyp
      • Wanderung von oben nach unten im Transwells
      • Chemotaxis kann untersucht werden
  • Co-Kultur-Systeme in Transwells (nur bedingt ein 3D-Modell)
    • Blut-Hirnschranke-Modell
      • Meist zwei Zelltypen (Endothel und Astrocyten aus dem Gehirn)
      • Endothel oben
      • Zugabe von 2 Seiten möglich
      • Transportstudien über die Blut-Hirn-Schranke
      • Transmigrationsstudien
  • Sphäroide (Zellkugeln)
    • Sphäroide im hanging drop
    • Sphäroide in Gelen (Collagen, Alginat, Matrigel)
      • Untersuchung von Angiogenese (Blutgefäßneubildung)
      • Untersuchung von Krebsmedikamenten
  • Tissue engineering (Nachbau von Geweben)
    • Hautmodelle (epidermal oder dermal)
      • Keratinocyten und Kollagen
      • Fibroblasten, Kollagen und Kerationcyten
    • Hauttransplantate (Humanmedizin)
    • Gefäßmodelle
    • Herzklappen (Humanmedizin)
    • Knochen-Modelle
    • Knorpel-Modelle
  • Organmodelle (Organoide)
    • Leber-Organoide
      • Pharmazeutische Forschung
      • Untersuchung von Verstffwechslung von Substanzen
    • Künstliche Leber (Humanmedizin)

Sphäroid-Kultur

 

Spezielle Kultur-Materialien

Um Zellen in 3D zu kultivieren, gbit es verschiedene Materialien und Hilfsmittel. Zu diesen gehören u.a.:

  • Zellkulturplastik
    • Transwells mit verschiedenen Porengrößen
    • Slit-well plates für Sphäroidkulturen
    • Hanging-drop
    • Zellkulturschlaen mit hydrophoben Boden (Sphäroidbildung)
  • Scaffolds, Trägermaterialien
    • Collagen, Alginat
    • Matrigel
  • Zellkulturmedien
    • Spezialmedien für Sphäroide
  • Bioreaktoren
    • Mit mechnischem Reizaufbau
      • Herzklappenreaktoren
      • Knorpel-Reaktoren

PHCbi 3D cell culture 96 slit well plate

 

 

Beispiele

Sphäroide können grob gesagt über drei Mechanismen hergestellt werden. Entweder platiert man sie auf hydrophoes Plastik, auf dem sie nicht adhärieren können, man platiert sie in hängenden Tropfen aus, in denen es nur oben eine Fläche gibt, aber die Zellen sinken nach unten oder man kauft ein spezielles Medium das die Zellen veranlasst auch in normalem Plastik Sphäroide zu bilden. Ein Beispiel mit speziellem hydrophobem Plastik von PHCbi (Spheroid culture) ist nachfolgend schematisch dargestellt.

Sphäroid-Herstellung

 

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