Журнал географии и стихийных бедствий
Открытый доступ

Абстрактный

Активная 3D-среда: ключ к стабильным, воспроизводимым, имитирующим тканям

Meave Wiley

Клетки, выращенные в виде активных сфероидных/органоидных культур, обладают физиологическими характеристиками, которые лучше имитируют наблюдаемые в тканях человека, чем клетки, выращенные в культуре 2D. Ранее мы предложили две крайности клеточного программирования (культурный разрыв). На одной крайности находится экспоненциальный рост с уменьшенной функциональностью (как это наблюдается при заживлении ран или раке, а также экспериментально в виде клеток, выращенных в традиционных культурах 2D), а на другой крайности находится динамическое равновесие с очень медленно пролиферирующими клетками с высокоспециализированной функциональностью (как это наблюдается в тканях и экспериментально в виде клеток, выращенных в виде активных сфероидов 3D). Мы показали, что клетки гепатоцеллюлярной карциномы HepG2/C3A, выращенные в виде активных сфероидных культур 3D в условиях микрогравитации в течение периодов более 18 дней, обладают физиологическими характеристиками, которые лучше имитируют наблюдаемые в тканях человека, чем клетки, выращенные в культуре 2D. Мы проанализировали протеом и клеточную архитектуру в этих двух крайностях и обнаружили, что они кардинально отличаются. Ультраструктурно организация актина изменяется, микротрубочки увеличиваются, а кератины 8 и 18 уменьшаются. Метаболически гликолиз, метаболизм жирных кислот и пентозофосфатный цикл увеличиваются, в то время как цикл Кребса и окислительное фосфорилирование остаются неизменными. Ферменты, участвующие в синтезе холестерина и мочевины, увеличиваются, что лежит в основе достижения скоростей производства холестерина и мочевины, наблюдаемых in vivo. Ферменты репарации ДНК увеличиваются, даже несмотря на то, что клетки преимущественно находятся в G0. Транспорт вокруг клетки вдоль микротрубочек, через ядерную пору и в различных типах везикул был отдан в приоритет. Существуют многочисленные когерентные изменения в транскрипции, сплайсинге, трансляции, сворачивании и деградации белков. Показано, что количество отдельных белков в комплексах высоко скоординировано. Как правило, субъединицы, которые инициируют определенную функцию, присутствуют в повышенных количествах по сравнению с другими субъединицами того же комплекса. Таким образом, мы приходим к выводу, что 3D-сфероиды открывают окно в физиологию in vivo. Культивирование клеток в 3D часто считается значительно более сложным, чем культивирование их в 2D. На практике это не так: ситуация такова, что оборудование, необходимое для культивирования клеток в 3D, не оптимизировано так же, как оборудование для 2D. Здесь мы представляем несколько ключевых особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании оборудования для культивирования клеток в 3D. К ним относятся градиенты диффузии, напряжение сдвига и время. Градиенты диффузии неизбежно вводятся, когда клетки культивируются в виде кластеров. Возможно, самым важным следствием этого является то, что возникающая гипоксия является основной движущей силой в метаболическом перепрограммировании. Большинство клеток в тканях не испытывают напряжения сдвига жидкости, и поэтому его следует минимизировать. Время — это фактор, который чаще всего упускают из виду. Клетки, независимо от их происхождения, повреждаются при инициировании культивирования: им нужно время для восстановления.Все эти особенности можно легко объединить в инкубаторе-клиностате и биореакторе. Удивительно, но выращивание клеток в системе клиностата не требует специализированных сред, каркасов, заменителей ECM или факторов роста. Это значительно облегчает переход к 3D. Самое главное, что клетки, растущие таким образом, отражают клетки, растущие in vivo, и поэтому представляют ценность для биомедицинских исследований.