کشت سلول سه بعدی و دو بعدی چه تفاوتی دارند؟
بدون شک کشت سلول یکی از فعالیت‌های مهم و پایه‌ای در آزمایشگاه‌ها محسوب می‌شود که پیشتر در رابطه با آن مطالبی را در مجله علمی پل‌ایده‌آل‌پارس ارائه کرده‌ایم. اما در این مطلب قصد داریم به یکی از بزرگترین پیشرفت‌هایی بپردازیم که در حوزه کشت سلولی اتفاق افتاده است. یعنی انتقال کشت سلول دو بعدی به کشت سلول سه بعدی!
کشت سلول سه بعدی و دو بعدی چه تفاوتی با هم دارند؟
کشت سلولی دو بعدی رایج‌ترین روش رشد سلول‌ها در آزمایشگاه است. به این ترتیب که سلول‌ها روی سطوح صاف (معمولاً پتری دیش، فلاسک‌ها یا پلیت‌ها) کاشته می‌شوند. این ظروف حاوی محیط کشت‌هایی هستند که تکثیر سلولی را تشویق کرده و باعث می‌شوند سلول در یک لایه رشد کند. سال‌هاست که کشت سلولی دوبعدی روشی ساده و کم‌هزینه را برای نگهداری سلول‌ها و انجام آزمایش‌ها به دانشمندان ارائه کرده است) مانند آزمایش پاسخ‌های سلولی به کاندیدهای دارویی).
اما کشت سلول دو بعدی، نمایانگر سلولهای واقعی نیستند و رشد سلول روی یک سطح صاف راه خوبی برای درک چگونگی رشد و عملکرد سلول ها در بدن انسان یا موجودات زنده نیست.
به همین دلیل در سال‌های اخیر، با پیشرفت علم و فناوری در حوزه پزشکی و آزمایشگاهی، تکنیک‌های کشت سلول سه بعدی، سر و صدای زیادی در جامعه علمی به پا کرده است فدر کشت سلول سه بعدی، ساختار بافت و سلول بهتر تقلید می‌شود. همچنین سلول‌ها در کشت سلول سه بعدی می‌توانند با محیط اطراف خود در هر سه بعد تعامل داشته باشند و اغلب به‌گونه‌ای رشد می‌کنند که فرم یک کره را تشکیل دهند.
اما کشت سلولی دو بعدی و سه بعدی چه تفاوتی با هم دارند؟
در کشت دو بعدی معمولاً سلول‌ها به صورت تک لایه روی شیشه یا فلاسک‌های آزمایشگاهی رشد می‌کنند، درحالی که در کشت سلول سه بعدی، سلول‌ها با استفاده از داربست‌های نگهدارنده، رشد می‌کنند.
برای ساخت یک بافت به شیوه‌های مهندسی ( مهندسی بافت)، نیاز به طراحی یک تکیه‌گاه یا داربست (scaffold) با ساختار فیزیکی مناسب است. به طوری که امکان چسبندگی سلول‌ها به داربست، مهاجرت سلولی، تکثیر سلولی و تمایز سلولی به راحتی صورت گیرد. همگی این موارد باعث ایجاد یک محیط سه بعدی برای رشد و ارتباطات سلولی و در نهایت بازسازی بافت می‌شوند.
نمونه‌هایی از داربست‌ها عبارتند از هیدروژل‌ها (hydrogels)، مواد سخت پلیمری (polymeric hard materials) و الیاف شیشه آبدوست (hydrophilic glass fibre).
در کشت‌های سه بعدی مبتنی بر داربست با استفاده از ماتریکس خارج سلولی [1] (ECM)، سلول‌ها در ماتریکس جاسازی می‌شوند. داربست‌های پلیمری نیز می‌توانند پشتیبانی فیزیکی یک بافت تخصصی مانند پوست، تاندون‌ها یا استخوان‌ها را فراهم کنند.
اما روش کشت سلول سه بعدی تنها به روش‌هایی که از داربست استفاده می‌کنند، محدود نمی‌شود. بلکه رویکردهای بدون داربست نیز وجود دارد و این رویکردها به خود تجمع سلول‌ها متکی هستند.
یکی از شناخته شده‌ترین روش های بدون داربست، روش قطره معلق (hanging drop method) است. در این روش، سلول‌ها تشویق می‌شوند تا به طور طبیعی و با استفاده از نیروهای گرانشی و کشش سطحی توده‌های سلولی را تشکیل دهند.
یکی دیگر از تفاوت‌های اصلی کشت سلول سه بعدی و دو بعدی، ظروف و تجهیزات مورد استفاده می‌باشد. در کشت سلول دو بعدی اغلب از پتری دیش یا فلاسک‌های آزمایشگاهی استفاده می‌شود. اما در کشت سلول سه بعدی، بیوراکتورها کاربرد بسیار گسترده‌ای دارند. بیوراکتورها برای جلوگیری از چسبیدن سلول‌ها به سطوح مورد استفاده قرار می‌گیرند و سلول‌ها را به صورت کروی در محلول نگه می‌دارند.
کشت سلول سه بعدی و دوبعدی به دانشمندان یک پلتفرم برای طیف وسیعی از نیازهای آزمایشگاهی را ارائه می دهد. اما چگونه بفهمیم کدام یک را انتخاب کنیم؟
کشت سلولی سه بعدی و دو بعدی: مزایا و محدودیت‌ها
همانطور که در قسمت‌های قبلی گفته شد، کشت سلول دو بعدی کاربرد گسترده‌ای در زمینه کشت سلول و بازسازی بافت داشته است. با این وجود، کشت سلولی دو بعدی دارای محدودیت‌های متعددی است که در جدول 1 به آن اشاره شده است.
همچنین کشت سلولی دو بعدی، منعکس کننده ساختار طبیعی بافت نمی‌باشد. به همین دلیل تعاملات سلول با سلول و سلول با محیط به طور کامل نشان داده نمی‌شود.
مهم‌ترین مزیت کشت سلول سه بعدی این است که آنچه داخل بدن اتفاق می‌افتد را بهتر شبیه‌سازی می‌کند. با ایجاد سیستم‌های پیچیده، که توسط کانال‌های میکروسیال به هم مرتبط شده‌اند، کشت‌های سه بعدی می‌توانند نحوه تعامل انواع مختلف سلول را شبیه‌سازی کنند.
علاوه بر این، ساختار سه بعدی دسترسی راحت‌تری را به ترکیبات ضروری ( مانند اکسیژن، مواد مغذی و متابولیت‌ها) فراهم می‌کند، به گونه‌ای که منعکس کننده یک سیستم in vivo است.
واژه in vivo یک عبارت لاتین به معنی “داخل بدن موجود زنده” است.
این عبارت زمانی به‌کار می‌رود که اثرات بیولوژی عوامل مختلف، روی یک موجود زنده کامل آزمایش می‌شود. این موجود زنده می‌تواند انسان، حیوان یا گیاه باشد.
در مقابل عبارت in vitro به انجام آزمایش در محیط آزمایشگاهی با استفاده از لوله آزمایش، پتری دیش و مانند آن گفته می‌شود که اغلب روی بافت زنده صورت نمی‌گیرد.
کشت سلول سه بعدی یک محیط in vivo را شبیه‌سازی می‌کند و به همین دلیل است که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
در نتیجه، مدل‌های سه‌بعدی بینش بهتر و دقیق‌تری نسبت به موضوعاتی مانند عملکرد طبیعی فیزیولوژیکی، پیشرفت بیماری، و سمیت دارویی و تست قدرت ارائه می‌کنند.
جدول 1. مقایسه بین کشت سلول سه بعدی و دو بعدی
| مشخصه | کشت سلولی دو بعدی | کشت سلولی سه بعدی |
| مورفولوژی و قطبیت سلولی
|
سلولهای مسطح، کشیده، تا حدی پلاریزه در تک لایه
|
ساختار طبیعی بافت و قطبیت سلول را منعکس می‌کند |
| شرایط in vivo | ساختار طبیعی را نشان نمی‌دهد | یک ساختار سه بعدی را نشان می‌دهد که شبیه به ساختار اصلی است |
| زمان شکل گیری محیط کشت | از چند دقیقه تا چند ساعت | از چند ساعت تا چند روز |
| تعامل سلول با سلول و سلول با محیط | سلول ها توانایی محدود در تعامل با یکدیگر و محیط خارج سلولی دارند | تقلید تعاملات in vivo |
| بیان ژن و پروتئین | الگوهای بیان اغلب با مدل های in vivo متفاوت است | الگوهای بیان ژن می توانند مشابه مدل‌های in vivo باشند |
| هزینه حفظ محیط کشت | معرف‌ها و مواد مصرفی برای کشت دو بعدی معمولاً به طور گسترده در دسترس و ارزان هستند. | کشت سلولی سه بعدی گران‌تر از کشت سلول دو بعدی است. |
با این وجود، چالش‌های مهمی در ارتباط با استفاده از روش‌های کشت سلول سه بعدی وجود دارد.
اول و مهمتر از همه، پروتکل‌های تعریف نشده‌اند. از آنجایی که کشت سلول سه بعدی به تازگی روی کار آمده است، هنوز پروتکل ثابتی برای اجرای آن تایید نشده است و در نتیجه انجام آن نیاز به زمان و هزینه‌ی بالایی دارد. فقدان یک پروتکل ثابت، همچنین می‌تواند تکرارپذیری نتایج بین آزمایشگاه‌های مختلف را به خطر بیندازد.
اما به نظر می‌رسد که کشت سلول سه‌بعدی به سرعت به اندازه روش‌های کشت سلولی دوبعدی محبوب شود.
کشت سلول سه بعدی: پیشرفت‌ها و کاربردها
اگرچه کشت سلول سه بعدی از اوایل سال 1870 وجود داشته است اما در 5 تا 10 سال گذشته شاهد سرمایه گذاری قابل توجه و به تبع آن، پیشرفت‌های قابل توجهی در این زمینه بوده‌ایم.
به ویژه در زمینه‌های ارگانوئیدها[2] (اندام واره)، ارگان روی یک تراشه[3] (اندام تراشه)، و فناوری‌های چاپ زیستی سه بعدی[4].
ارگانوئیدها را می‌توان به‌عنوان ساختارهای بافت سه‌بعدی تعریف کرد که از بافت‌های اولیه یا سلولهای بنیادی مشتق شده‌اند. اندام تراشه‌ها نیز یک دستگاه میکروسیال کوچک و حاوی کانال‌هایی هستند که توسط سلول‌ها و بافت‌های زنده پوشانده شده است.
چاپ زیستی سه بعدی نیز تکنیکی است که در کشت سلول سه بعدی استفاده می‌شود. در این تکنیک ساختارهای طراحی شده کامپیوتری را می‌توان از انواع سلول‌ها، مواد زیستی و بیومولکول‌های متعدد ایجاد کرد.
چاپ زیستی می تواند برای تولید ارگانوئیدها و اندام تراشه استفاده شود که بسته به هدف علمی دارای مزایای متفاوتی هستند.
سخن پایانی
کشت سلول سه بعدی به عنوان یک فناوری پیشرفته این پتانسیل را دارند که درک ما از زیست‌شناسی انسانی و آسیب‌شناسی بیماری‌ها را تغییر داده و تحولی در توسعه روش‌های درمانی ایجاد کنند.
به عنوان مثال، هم ارگانوئیدها و هم اندام تراشه‌ها، پلتفرم‌های جدیدی را برای سرعت بخشیدن به فرآیند غربالگری درمانی ارائه می‌دهند، زیرا بافت‌های انسانی را تقلید کرده و می‌توانند بسیار کارآمد باشند.
علاوه بر این، فناوری چاپ زیستی سه بعدی در حال حاضر قادر به چاپ ارگانوئیدها با سرعت بالا است که انجام آزمایشات را بسیار ساده‌تر می‌کند.
کشت سلول سه بعدی، به نوبه خود، می‌تواند به کاهش هزینه‌های بالای عرضه دارو کمک کرده و وابستگی محققین به مدل‌های حیوانی را نیز کاهش دهد.
امیدواریم این مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد.
واژه نامه:
| Organ-on-a-chip | [3] | Organoids | [2] | Extracellular Matrix | [1] |
| 3D-bioprinting technologies | [4] |
