آشنایی با کنترل ریز محیط سلولی در شرایط آزمایشگاهی یا in vitro چیست؟

برای درک چگونگی ارتباط سلول ها در تشکیل بافت ها و اندام ها ، تعیین مکانیزم هایی که رفتارهای سلول را هدایت می کنند ضروری است. دانشمندان به جای مطالعه سلولهای داخل بدن ، که بسیار دشوار است ، از کشت سلول استفاده می کنند. این سلول ها سلول هایی هستند که به صورت موجود زنده برداشته شده و در آزمایشگاه کشت داده شده اند.

با استفاده از کشتهای سلولی ، دانشمندان قادرند ریزمحیط سلول را دستکاری کنند تا شرایط فیزیولوژیکی را در داخل بدن شبیه سازی کنند.

کدام نوع کشت سلولی برای دستکاری سلول ها در شرایط آزمایشگاهی بهتر است؟

برای بیش از یک قرن ، از کشت سلولی دو بعدی (2D) برای مطالعه پاسخ سلولی به نشانه های بیوفیزیکی و بیوشیمیایی استفاده شد. در حالی که کشت های دو بعدی درک ما از رفتار سلول را بسیار پیشرفت داده اند ، اما آنها محدودیت های خاص خود را دارند. به عنوان مثال ، سلولها در کشت، فعالیتهای زیستی را نشان می دهند که با سلولهای مشاهده شده در داخل بدن متفاوت است. بنابراین ، نتایج تحقیقات ممکن است به طور کامل نشان دهنده واکنشهای داخل بدن نباشد.

برای رفع این مشکل ، داربست های جدیدی برای کشت سلول های سه بعدی در حال توسعه هستند ، به خصوص که آنها شرایط را در داخل بدن دقیقاً تقلید می کنند. اینها به عنوان کشت spheroid یا ارگانوئید شناخته می شوند و رفتارهای سلولی داخل بدن و سرنوشت آن ها را توسط فرآیندهای خاص یا نشانه های مورد مطالعه نشان میدهند.

با این حال ، مدل های سه بعدی چالش های مختلفی دارند. این موارد شامل ایجاد یک رابط بین انواع مختلف بافت است. کنترل توزیع فاکتورهای فعال زیستی (به عنوان مثال هورمون ها و پیام رسان های شیمیایی) از نظر مکانی و زمانی و حفظ عبور مواد مغذی و گازهای لازم برای بقای سلول.

هنگامی که در بین انتخاب سیستم های 2D یا 3D قرار می گیرید ، فرایند خاص مورد مطالعه در نظر گرفته می شود. در حالی که سیستم عامل های سه بعدی در القای رفتار سلولی شبیه به داخل بدن بهتر عمل می کنند ، اما با کمبود کاربرد جهانی محدود می شوند. در حال حاضر ، فقط برخی از انواع سلول ها را می توان از این طریق رشد داد. بنابراین کشت سلول های 2D یک گزینه کاربردی و آسان برای استفاده را ارائه می دهد.

روش های فعلی کشت سلول 2D

کشت سلول ها به سطح صافی نیاز دارد که سلول ها بتوانند به آن بچسبند و رشد کنند. مواد معمولی مورد استفاده برای این منظور شامل شیشه یا پلی استایرن است. به دلیل ماهیت یکنواخت سطح ، سلول ها به دلیل دسترسی به غلظت های مشابه مواد مغذی و فاکتورهای رشد موجود در محیط ، به صورت همگن رشد می کنند. این یکنواختی ، فرهنگ های دو بعدی را در گزینه های بالینی و تحقیقاتی به گزینه ای جذاب تبدیل می کند.

با وجود این سادگی ، فرهنگ های 2D اجازه کنترل شکل سلول را نمی دهند – که یک تعیین کننده مهم در پاسخ به نشانه های بیوفیزیکی in vivo است. برای پاسخگویی به این موضوع ، بسترهای میکرو الگویی مانند جزایر چسبنده سلول ، میکروسل ها و ریز ستون ها(micropillars) برای کمک به سفارشی سازی شکل سلول طراحی شده اند.

این راه حل ها یک محیط شبه 3D ارائه می دهند که می تواند قطبیت آپیکال پایه را تحریک کند ، که به عدم تقارن در سازمان و توزیع اجزای سلولی اشاره دارد. این امر زمانی می تواند مشکل ساز باشد که قطبیت آپیکال-پایه ممکن است در in vivo غیرطبیعی باشد.

بنابراین ، قطبیت القایی ممکن است مطلوب باشد زیرا سلولهای بومی را قادر می سازد عملکردهای طبیعی خود را انجام دهند (مهاجرت ، توزیع و احساس نشانه های محیطی). با استفاده از روش کشت ساندویچ می توان اثر قطبیت ناخواسته را کاهش داد.

در این روش ، یک سکوی اضافی در بالای لایه یکنواخت سلول ها قرار می گیرد ، و پروتئین های ماتریس خارج سلولی (ECM) را برای آنها فراهم می کند که لایه زیرین حمایت کننده را می پوشاند. این به طور موثر از دو قطبی شدن سلول جلوگیری می کند ، و تقلیدی از محیط سه بعدی را که در داخل بدن دیده می شود ، فراهم می کند.

مدل های فعلی کشت سلول سه بعدی

بعد سوم که در کشت های سه بعدی در دسترس قرار گرفته است ، مدل سازی دقیق محیط های in vivo را در شرایط in vitro امکان پذیر می کند. این امر پیچیدگی ساختاری بیشتری را برای سلول ها فراهم می کند و به آنها امکان می دهد تا در مدت زمان بیشتری وضعیت ثابت (هموستاتیک) را حفظ کنند. متعاقباً ، کشتهای سلولی که با استفاده از روشهای کشت سه بعدی رشد کرده اند ، بیشتر از آنچه در سلولهای 2 بعدی رشد کرده اند ، پیش بینی می کنند که چه ممکن است برای سلولهای داخل بدن رخ دهد.

برخی از روش های کشت سه بعدی شامل میکروسیالات است. این به دستکاری حجم مایعات کوچک در ریز سیستم های مصنوعی اشاره دارد. فاکتورهای محلول که رفتارهای بیوشیمیایی را تنظیم می کنند ، به خوبی در کشت سلول های میکروسیالی پراکنده شده اند ، که از نزدیک رفتار آنها را در داخل بدن تقلید می کنند.

یکی دیگر از مزایای کشت سلولهای سه بعدی میکروسیالی ، توانایی پیوند انواع مختلف بافتها با یکدیگر و بررسی نحوه تعامل آنها است. در نتیجه ، محققان می توانند نحوه عملکرد اندام ها و سیستم ها و نه فقط سلول ها و بافت ها را بهتر درک کنند.

علاوه بر این ، جریان مایعات (مانند مایعات بینابینی و خون) برای عملکرد سلول مهم است ، خصوصاً اینکه تمایز و متابولیسم سلول به این امر بستگی دارد. بنابراین کنترل فشارهای مایع که توسط تکنیک های میکروسیال فعال می شوند بسیار ارزشمند است.

یکی دیگر از مزایای کشت های سه بعدی ، بهبود مدل سازی بافت های مانع است. در داخل بدن ، اپی تلیا سدی بین محفظه های اندام ایجاد می کند. عملکرد مانع از آنجا مهم است که تاثیری را که متغیرهای محیطی بر محفظه اساسی دارند تنظیم می کند. عملکرد مناسب سد اپیتلیال برای بقا بسیار مهم است ، بنابراین نمایش آن در کشت های سه بعدی موفقیت سیستم های اندام یکپارچه را در شرایط in vitro بهبود می بخشد.

مقایسه رشد سلول در محیط های 2D و 3D

پیشرفت تکنیک های کشت سه بعدی در حال افزایش است که اجازه می دهد تا دقیق تر از شرایط in vivo تقلید کند. کشت های 2D توسط عدم توانایی آنها در تأثیر مناسب بر تعامل سلول-سلول ، مکانیک سلولی و دسترسی به مواد مغذی محدود می شود.

با وجود این ، کشت های 2D در سیستم های اپیتلیال موفق هستند. به عنوان مثال ، اپیتلیای مجاری تنفسی ریه به طور طبیعی در شرایط آزمایشگاهی ایجاد می شود. اشکال اصلی سیستم های 2D سادگی آنهاست ، که اغلب باعث نمی شوند سلول های کشت شده روندهای مورد انتظار سلول را نشان دهند. در نهایت ، سادگی آنها تفاوت بین اطلاعات بیولوژیکی مورد نیاز و آنچه در 2D ارائه شده است را نشان می دهد.

فرهنگ های سه بعدی نیز به همین ترتیب محدود هستند. توان عملیاتی کل خروجی سیستم 3D که می تواند تولید کند ، در مقایسه با روش های 2D کم است. بسیاری از تکنیک ها وقت گیر بوده و تنظیم آنها دشوار است.

در نتیجه ، آنها نمی توانند در تولید دارو استفاده شوند که متکی به تعداد زیادی از اندازه گیری های غربالگری است. کشت های سه بعدی نیز به دلیل ناسازگاری آنها با اشکال تحلیل میکروسکوپی محدود می شوند. این مشکل ناشی از اندازه بزرگ کشت سلولهای سه بعدی است. این امر همچنین از توزیع مناسب مواد مغذی به سلولها ، هم در محل و هم در زمان مناسب جلوگیری می کند.

با توجه به اینکه روش های کشت سلول سه بعدی نسبتاً جدید و در حال ظهور است ، پتانسیل کشت سلول های سه بعدی امیدوار کننده است. توانایی آنها در جمع آوری دقیق محیط سلول in vivo آنها را به روش انتخابی ترجیحی در محیط بالینی و تحقیقاتی تبدیل می کند.