Эта публикация отражает содержание второй части вебинара «Клеточная биология в формате Single Cell», состоявшегося 11 октября 2022 г. в рамках проекта «Онлайн-лекторий Диаэм».
Сфероиды: из истории – в современность
Сфероиды – трехмерные агрегаты клеток размером 50-500 мкм, в которых проявляется обширная межклеточная адгезия; обычно такие структуры сохраняют свой эндогенный внеклеточный матрикс и обладают свойствами, сходными с их тканевыми аналогами invivo. В отличие от 2D-среды, 3D-культура клеток позволяет им расти, как в естественных условиях – во всех направлениях.
История сфероида не нова: это не совсем современное понятие, первое упоминание о сфероидах датируется 1912 годом, когда Алексис Каррель, работая с клетками сердца эмбриона цыпленка, получил агрегаты клеток, способные самоорганизовываться. Только спустя почти полвека – в начале 50-х гг. – Джозеф Лейтон доработал метод Карреля, используя губчатую подложку как субстрат, с помощью которого клетки собирались в трехмерную структуру.
В 1971 г. появились сообщения о том, что в суспензионной культуре опухолевые клетки проявили способность к спонтанному формированию округлых многоклеточных микроагрегатов. Тогда они и получили название сфероидов.
Преимущества сфероидных культур
В сфероиде наблюдается более сложное взаимодействие между клетками, ведь клетки в этом случае взаимодействуют не только с соседями слева и справа, спереди и сзади, но еще и сверху, и снизу, то есть они находятся в неком микроокружении, влияя друг на друга.
Это позволяет изучать и моноклональные сфероиды, когда вся формация состоит из клеток-потомков одной клетки-предшественницы, и формировать гетерогенные «сообщества» – конструкции, в которых разные типы клеток сформировали некий агрегат, проявляющий определенные свойства.
Вариантов применения таких свойств сфероидов много.
Использование 3D-культур как модели для проведения скрининга фармпрепаратов invitro, потому что по сравнению с классическими моделями здесь можно выявить какие-то более тонкие явления и взаимодействия. Клетки в объемной структуре ведут себя немного по-другому, их поведение максимально приближено к поведению invivo, что дает возможность получить более-менее объективные результаты такого тестирования препарата или оценить его эффективность. Понятно, что при тестировании на плоской культуре нет гарантии, что в организме воздействия препарата проявится точно так же (и с точки зрения эффективности, и с точки зрения оценки токсичности).
Второй вариант – еще более популярный, чем первый: опухолевые сфероиды стали практически идеальной моделью для тестирования онкопрепаратов invitro для оценки воздействия онкопрепарата на культуру клеток. Можно создать сфероид из нескольких типов опухолевых клеток – гетерогенный сфероид, на котором можно оценить влияние препарата на гетерогенную опухоль. Это важно, поскольку бывают случаи, когда, подавляя препаратом один вид клеток в сфероиде, исследователь тем самым освобождает место для роста опухолевых клеток другой группы. Понятно, что если перенести этот процесс на организм человека, шансы на ремиссию получатся очень сомнительными, а следовательно, эффективность препарата с такими свойствами тоже останется под вопросом.
И конечно, применение сфероидов открывает новые горизонты в трансплантологии, потому что 3D-культуры человеческих мультипотентных стволовых клеток – это отличное решение для трансплантологии, для репарации каких-то поврежденных тканей, ликвидации тканевых дефектов, например, наращивания кости в случае утери фрагмента после сложных операций или обширных травм. Это хорошее решение: сфероиды заносят в некий ячеистый скаффолд, где клетки отлично и очень быстро разрастаются. Это популярное применение сфероидов, о чем свидетельствует множество опубликованных работ.
Шесть подходов к созданию сфероида
Методик создания сфероидов много, и у каждого варианта есть свои недостатки и достоинства.
- Самый простой и популярный – метод висящей капли: каплю суспензии клеток подвешивают к крышечке чашки Петри и в таком положении она висит. Клеткам в ней некуда деваться, и они начинают взаимодействовать между собой, образуя 3D-агрегат.
- Альтернатива – создание сфероида в микролунках, но поверхность таких микролунок должна обладать ультранизкой адгезией, потому что иначе клетки по ней распластаются. Принцип здесь тот же самый: клетки «сползаются» к нижней точке лунки и начинают формировать агрегаты.
- Еще один подход – создание сфероидов во вращающемся сосуде – пригоден только для клеток, способных спонтанно образовывать такие агрегаты, то есть не для всех типов клеток. Тем не менее этот метод довольно прост, хотя и характеризуется немалой трудоемкостью процесса, а образующиеся агрегаты клеток получаются гетерогенными по размеру.
- Создание сфероидов с использованием матрикса – метод довольно простой, но в свете последних событий стало трудно достать сам по себе матригель и подобные реактивы (внеклеточные матриксы) стало трудно достать.
- Есть еще «экзотические» методы вроде использования магнитных наноносителей, когда в клеточку внедряются различные наночастицы с магнитными свойствами, а потом с помощью магнита эти клетки вылавливаются и формирование сфероида происходит за счет взаимного притяжения клеток.
- Шестому методу – микрофлюидному – посвящена основная часть этого доклада.
Подробнее в статье на нашем сайте.