کشت سلولی ۳ بعدی ، انقلابی در فرایند کشت سلولی

در این مقاله قصد داریم با کشت سلولی ۳ بعدی آشنا شویم و تاثیرات، کاربردها، مزایا و معایبی که در مقایسه با دیگر انواع روش‌ها دارد را بشناسیم. تکنیک‌های کشت سلولی سه‌ بعدی به طور دقیق شرایط درون بدن (in vitro) را شبیه‌سازی می‌کنند و داده‌های دقیق‌تری برای مدل‌سازی بیماری‌ها و سنجش میزان سمیت داروها ارائه می‌دهند.

کشت سلولی ۳ بعدی چیست؟

کشت سلولی سه‌بعدی یک تکنیک برون‌تنی (in vitro) است که در آن دانشمندان سلول‌ها را در شرایطی رشد می‌دهند که امکان تعامل آن‌ها با یکدیگر و محیط اطراف فراهم شود. این شرایط توانایی شبیه‌سازی دقیق بافت‌ها، اندام‌ها یا تومورهای پیچیده را دارند. انواع مختلفی از کشت سلولی سه‌بعدی وجود دارد که شامل اسفروئیدهای بدون داربست و ارگانوئیدهای مبتنی بر داربست می‌شوند. ترکیب کشت سلولی سه‌بعدی با ریزسیالات (microfluidics) مدل اندام روی تراشه (organ-on-a-chip) را ارائه کرده است

مقایسه کشت سلولی ۲ بعدی با ۳ بعدی

کشت سلولی ۲‌ بعدی عمدتاً شامل رشد سلول‌ها در یک لایه روی سطح صاف یک فلاسک یا پلیت پلاستیکی است. این شرایط کشت فاقد پیچیدگی بوده، بر فنوتیپ سلول‌ها تأثیر می‌گذارد و تعاملات بین سلولی که اساس فرآیندهای زیستی هستند را به شدت محدود می‌کند.

 در مقابل، مدل‌های کشت سلولی ۳‌ بعدی بسیار نزدیک‌تر به شرایط درون بدن (in vivo) هستند. زیرا این مدل‌ها به سلول‌ها اجازه می‌دهند که نه تنها با یکدیگر بلکه با ماتریکس خارج‌سلولی نیز تعامل داشته باشند. علاوه بر این، سلول‌ها در کشت سه‌ بعدی قادرند به طور عملکردی تمایز یابند و لایه‌هایی از انواع مختلف سلول‌ها را تشکیل دهند.

کشت سلولی سه‌ بعدی، سلول‌ها را از آن محیط دو بعدی خارج کرده و امکان تعاملات بیشتر بین سلول‌ها را فراهم می‌کند. این تعاملات می‌توانند در محیط‌ها و شرایط مختلفی رخ دهند. این توضیح توسط جولیا کریسپیم دا فونتورا^[۱]، دانشجوی دکترای دانشگاه علوم بهداشت پورتو آلگره ارائه شد. او از ارگانوئیدها برای مطالعه مقاومت دارویی استفاده کرد.

از نظر شرایط کشت، کشت سلولی سه‌ بعدی معمولاً به فاکتورهای رشد خاص و مقدار کم یا عدم وجود سرم در محیط کشت نیاز دارد. برخلاف آن، در کشت دو بعدی اغلب از سرم استفاده می‌شود، تا سلول‌های اولیه و تمایز‌یافته را پرورش دهد. شرایط خاص کشت، از جمله نوع فاکتورهای رشد مورد استفاده و غلظت آن‌ها، به نوع سلول بستگی دارد.

انواع مختلف کشت سلولی ۳بعدی

انواع کشت سلولی سه‌ بعدی شامل اسفروئیدهای بدون داربست، ارگانوئیدهای مبتنی بر داربست و دستگاه‌های اندام روی تراشه مبتنی بر میکروفلوئیدیک هستند. این مدل‌ها در کاربردهای تحقیقاتی بیماری‌ها مفید هستند، مانند مطالعه محیط ریز تومور مغزی، مدل‌سازی شرایط التهابی مانند بیماری مزمن انسدادی ریه^[۲] (COPD)، و بررسی سمیت داروها به صورت برون‌تنی.

کشت سلولی ۳ بعدی کروی

محققان اسفروئیدها را در شرایط کشت سلولی سه‌ بعدی بدون داربست رشد می‌دهند که هیچ سطح یا ساختاری برای اتصال سلول‌ها فراهم نمی‌کند. سلول‌هایی که نمی‌توانند به سطح ۲ بعدی متصل شوند، به جای آن به یکدیگر متصل شده و تجمع کرده و یک توده کروی شناور به نام اسفروئید‌ ایجاد می‌کنند. اسفروئیدها پیچیده‌تر از کشت‌های سلولی ۲ بعدی هستند، اما پیچیدگی کمتری نسبت به مدل‌های دیگر کشت سلولی سه‌ بعدی مانند ارگانوئیدها دارند.

کشت سلولی ۳ بعدی ارگانوئیدی

سلول‌ها در کشت‌های سلولی سه‌ بعدی مبتنی بر داربست به طور خودبه‌خود به واحدهای ساختاری به نام ارگانوئیدها جمع می‌شوند که شبیه ارگان‌های مینیاتوری هستند. شرایط کشت سلولی سه‌ بعدی مبتنی بر داربست شامل یک بستر یا ماتریس است که سلول‌ها می‌توانند به آن متصل شوند.

طبق گفته جولیا کریسپیم دا فونتورا : “سلول‌هایی که در [کشت ارگانوئید] رشد می‌کنند، ساختاری برای اتصال به آن دارند، اما همچنین تمایل دارند که انواع مختلفی از سلول‌ها درون آن ارگانوئیدها وجود داشته باشد.” “این امر ساختار آن‌ها را مشابه‌تر به بافت واقعی نسبت به اسفروئیدها می‌کند.”

کشت سلولی میکروفلوئیدی: اندام روی تراشه

چیپ‌های میکروفلوئیدی، میکروچیپ‌هایی هستند که با مجموعه‌ای از کانال‌ها حکاکی شده‌اند. بافت‌های ۳ بعدی که بر روی این دستگاه‌ها رشد می‌کنند، ارگان‌های روی تراشه را تشکیل می‌دهند که ساختار و عملکرد بافت‌های انسانی را شبیه‌سازی می‌کنند. ارگان‌های روی تراشه به راحتی می‌توانند با دیگر تکنیک‌های مهندسی، از جمله اتوماسیون یا فناوری‌های بیوسنسور، یکپارچه شوند. مانند سایر روش‌های کشت سلول ۳ بعدی، ارگان‌های روی تراشه همچنین می‌توانند با استفاده از سلول‌های بنیادی پرتوان القایی^[۳] (iPSCs) خاص هر بیمار شخصی‌سازی شوند.

مزایای کشت سلولی ۳ بعدی

یکی از مزایای اصلی کشت سلول ۳ بعدی این است که شرایط بیولوژیکی واقعی‌تری را برای مطالعه بافت‌ها، ارگان‌ها و بیماری‌های پیچیده در محیط آزمایشگاهی شبیه‌سازی می‌کند. کریسپیم دا فونتورا می‌گوید: «در کشت سلول ۳ بعدی، ما معمولاً سلول‌ها را در محیطی می‌بینیم که بیشتر شبیه به شرایط in vivo است، بنابراین سلول‌ها به گونه‌ای سازمان‌دهی شده‌اند که شباهت بیشتری به یک ارگان دارند». به عنوان مثال، ارگانوئیدها می‌توانند برای ارگان‌های مختلفی مانند مغز، کبد، ریه، کلیه، پانکراس، شبکیه، تیروئید و معده تولید شوند. همچنین می‌توانند بیان ژن و پروتئین، ساختارهای بافتی و تعاملات سلولی این ارگان‌ها را به طور دقیق بازتولید کنند.

چون تکنیک‌های کشت سلول ۳ بعدی شرایط نزدیک‌تری به شرایط in vivo دارند، می‌توانند نشانه‌های دقیق‌تری از نحوه واکنش سلول‌های انسانی به درمان‌های جدید نسبت به کشت سلول‌های ۲ بعدی یا مدل‌های حیوانی پیش‌بالینی ارائه دهند. به این معنی که می‌توانند کارآیی در کشف دارو را به حداکثر رسانده و نرخ از دست رفتن داروهای جدید در توسعه بالینی را کاهش دهند. به گفته کریسپیم دا فونتورا «با استفاده از این سلول‌های کشت شده ۳ بعدی در این نوع آزمایش‌ها، حتی می‌توانید به کاهش استفاده از موش‌ها در تحقیقات کمک کنید.»

علاوه بر این، مدل‌های کشت سلول ۳ بعدی مانند ارگانوئیدها و ارگان‌های روی تراشه می‌توانند با غربالگری با توان بالا و محتوای بالا، به همراه بیولوژی محاسباتی^[۴] و یادگیری ماشین^[۵] یکپارچه شوند.

کاربردهای کشت سلولی ۳ بعدی

یکی از کاربردهای کلیدی کشت سلولی ۳ بعدی مدل‌سازی بیماری است که فنوتیپ های پیچیده بیماری را بازسازی می‌کند که نمی‌توان آن‌ها را با استفاده از تکنیک‌های کشت سلولی ۲ بعدی به طور دقیق مدل‌سازی کرد. به عنوان مثال، محققان می‌توانند ارگان‌های روی تراشه‌ای ایجاد کنند که رابط آلوئولار-کاپیلاری در ریه‌ها را بازتولید کنند. این فرایند امکانی را فراهم می‌آورد که محققان پاسخ‌های پیچیده به عفونت و التهاب را مطالعه کنند.

دانشمندان اغلب از کشت سلول ۳ بعدی برای تحقیقات سرطان استفاده می‌کنند، هم برای درک میکرو محیط پیچیده تومور و هم برای مطالعه پاسخ‌های درمانی در محیط آزمایشگاهی. به عنوان مثال، کریسپیم دا فونتورا از تکنیک‌های کشت سلولی ۳ بعدی در تحقیقات داروهای سرطان خود استفاده می‌کند. او نشان داده است که مدل‌های ۳ بعدی سطوح بیان ژنی مشابه‌تری به تومورها دارند. همچنین در مقایسه با مدل‌های ۲ بعدی، در برابر داروهای شیمی‌درمانی مقاوم‌تر هستند.

محققان با ارگانوئیدهای تومور پیچیده کار می‌کنند تا میکرو محیط ایمنی تومور را درک کنند. همچنین درمان‌های ایمونوتراپی دقیق را توسعه داده و آزمایش کنند. به گفته کریسپیم دا فونتورا گفت «شما می‌توانید ارگانوئیدها را ایجاد کرده و آن‌ها را با سلول‌های ایمنی هم‌کشت کنید، سپس از یک درمان استفاده کنید تا ایده کلی از نحوه پاسخ یک بیمار به آن درمان به دست آورید.»

سخن پایانی

کشت سلولی سه‌ بعدی (۳D) به عنوان یک پیشرفت مهم در علوم زیستی، امکان شبیه‌سازی دقیق‌تری از محیط طبیعی بدن را فراهم می‌کند. برخلاف کشت‌های دو بعدی، این روش رفتار سلول‌ها را در شرایط واقعی‌تر بازسازی می‌کند و به‌ویژه در مطالعات بیماری‌ها، ارزیابی داروها و مهندسی بافت‌ها کاربرد دارد. استفاده از مواد زیستی مانند هیدروژل‌ها و ماتریس‌های خارج سلولی در کشت‌های سه‌ بعدی مزایای زیادی دارد، اما چالش‌هایی همچون هزینه‌های بالا و پیچیدگی‌های فرآیند کشت همچنان باقی است. این تکنیک به‌عنوان ابزاری نویدبخش در پژوهش‌ها و درمان‌های پزشکی آینده شناخته می‌شود.

واژه نامه: