Gerüstabhängige 3D-Modelle für Hochdurchsatz-Screening

Gerüstabhängige 3D-Zellkulturen sind auf physikalische Unterstützung angewiesen, die von mechanischen Oberflächen bis hin zu extrazellulären Matrix (ECM)-ähnlichen Strukturen reicht, auf denen Zellen kultiviert werden, um sich zu aggregieren, sich zu teilen und zu migrieren. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Gerüsts beeinflussen die Zellstruktur und -eigenschaften. In synthetische Gerüste können Hormone und Wachstumsfaktoren eingebettet werden, die für das Wachstum eines bestimmten Zellphänotyps notwendig sind. Daher müssen bei der Wahl des Gerüsts, ob biologisch oder synthetisch, die physikalischen (Porosität, Steifheit und Stabilität unter Kulturbedingungen) und chemischen Eigenschaften (Kompatibilität) des Gerüsts berücksichtigt werden, um eine lebensfähige Kultur zu erhalten, die anschließend für hohe Zwecke verwendet werden kann Durchsatz-Drogenscreenings (1).

Synthetische und biologische Hydrogele

Hydrogele sind Netzwerke, die aus verdünnten Polymerketten mit vorgegebener Struktur und Eigenschaften hergestellt werden und entweder durch intermolekulare oder interfibrilläre Vernetzungen erhalten werden. Biologische Hydrogele aus natürlichen Quellen wie Kollagen, Fibrin oder Matrigel sind biokompatibel, verfügen über natürliche Klebeeigenschaften und können viele physiologische Zellfunktionen unterstützen. Dies führt zu einer erhöhten Lebensfähigkeit der Zellen, einer kontrollierten Proliferation oder Differenzierung und häufig zu einem Zellphänotyp, der typischerweise in vivo beobachtet wird. Eine Modifikation der Art des verwendeten Hydrogels und seiner Konzentrationen wird häufig verwendet, um die Reaktion von Krebszellen auf therapeutische Maßnahmen zu beobachten, zu denen Chemotherapie, Immuntherapie und Bestrahlung gehören (2,10).

Allerdings sind die am häufigsten verwendeten biologischen Gerüste wie Kollagen und Matrigel in flüssiger Form erhältlich, müssen jedoch bei kalten Temperaturen gehandhabt werden, um eine vorzeitige Gelierung zu vermeiden. Diese Anforderung an niedrige Temperaturen schränkt den Einsatz in Liquid-Handling-Geräten ein, die für Hochdurchsatz-Screenings in der Arzneimittelforschung eingesetzt werden (10).

Gut konzipierte synthetische Hydrogele können als hervorragende Plattform für den Einsatz in 3D-Zellkulturen dienen. Sie können ECM-ähnliche Eigenschaften effektiv darstellen und proteolytische Stellen und Wachstumsfaktoren umfassen. Sie können leicht fein abgestimmt werden, um gewünschte physikalische und chemische Eigenschaften zu erreichen und das Wachstum eines bestimmten Zellphänotyps zu fördern. Darüber hinaus haben synthetische Polymere den zusätzlichen Vorteil, dass sie vergleichsweise kostengünstig, relativ inert und reproduzierbar sind, wodurch konsistente und zuverlässige Ergebnisse erzielt werden können. Jüngste Fortschritte in den Materialwissenschaften haben kleine Hydrogele auf Peptidbasis als neues 3D-Zellkulturgerüst hervorgebracht, das für Studien zur Arzneimittelentwicklung geeignet ist. Diese Hydrogele sind äußerst vielseitig und die Materialeigenschaften können durch den Austausch von Aminosäuren moduliert werden, entweder durch Verlängerung oder Verkürzung der Peptidsequenz (3).

Übliche synthetische Peptide, die effektiv für die 3D-Kultur verwendet werden, sind: die aus Hefe gewonnenen Peptide EAK16 und RADA16 (4), die Peptide Fmoc-FF (Fluorenylmethoxycarbonyl-diphenylalanin) (5) und Fmoc-RGD (Fluorenylmethoxycarbonyl-Arginin-Glycin-Asparaginsäure) (6). ). Es wurde gezeigt, dass ein einzelnes Säuresubstitutionsderivat des MAX1-Peptids, MAX8, mit Liquid-Handling-Geräten kompatibel ist und sich daher für die Arzneimittelforschung mit hohem Durchsatz eignet (7).

Organoide

In den letzten Jahren hat sich die Organoid-Technologie schnell zu einer 3D-Kulturtechnik entwickelt, die zu selbstorganisierenden, sich selbst erneuernden 3D-Zellen führt, die aus Primärgeweben, embryonalen Stammzellen oder induzierten pluripotenten Stammzellen stammen und eine ähnliche Struktur und Funktion wie das Gewebe von haben Ursprung (8). Aus menschlichen Zellen gewonnene Organoide haben den Weg für physiologisch relevante Modelle zur Untersuchung der Entwicklung und des Fortschreitens menschlicher Krankheiten geebnet. Fortschrittliche 3D-Organoidmodelle erweisen sich darüber hinaus als effektive Plattform für die Arzneimittelentwicklung, die kostengünstig ist und präzise menschliche Krankheitsmodelle enthält, die in Tiermodellen nicht nachgebildet werden können (9).

Die häufigste Anwendung organoider Kulturen ist die Transkriptom-Profilierung, wobei sich entwickelnde Technologien für das Hochdurchsatz-Arzneimittelscreening kompatibel sind. Nierenorganoide wurden in Toxizitätstests untersucht, zusammen mit einem Mukoviszidose-Modell, das für Drogentests entwickelt wurde. In den letzten Jahren wurden Nischen-Kokulturen von Darmstammzellen für Arzneimittelscreenings mit hohem Durchsatz entwickelt. Darüber hinaus haben Tumeroide (aus patientenspezifischem Krebsgewebe entwickelte Oranoide) eine repräsentativere 3D-Kulturplattform für die personalisierte Arzneimittelentwicklung bereitgestellt (10).

Bibliographie

  1.  Caliari, SR und Burdick, JA (2016). Ein praktischer Leitfaden zu Hydrogelen für die Zellkultur. Nat. Methoden
    13, 405-414.
  2. Worthington, P., Pochan, DJ und Langhans, SA (2015). Peptidhydrogele – vielseitige Matrizen für
    3D-Zellkultur in der Krebsmedizin. Vorderseite. Oncol. 5:92. doi: 10.3389/fonc.2015.00092Worthington, P.,
    Pochan, DJ, und Langhans, SA (2015). Peptidhydrogele – vielseitige Matrizen für die 3D-Zellkultur in
    Krebsmedizin. Vorderseite. Oncol. 5:92.
  3. Zhang, YS und Khademhosseini, A. (2017). Fortschritte in der Hydrogeltechnik. Wissenschaft
    356:eaaf3627.
  4. Guilbaud, JB, Vey, E., Boothroyd, S., Smith, AM, Ulijn, RV, Saiani, A., et al. (2010). Enzymatisch
    katalysierte Synthese und ausgelöste Gelierung ionischer Peptide. Langmuir 26, 11297–11303.
  5. Zhou, M., Smith, AM, Das, AK, Hodson, NW, Collins, RF, Ulijn, RV, et al. (2009). Selbstorganisierte peptidbasierte Hydrogele als Gerüste für verankerungsabhängige Zellen. Biomaterialien 30, 2523–2530.
  6. Worthington, P., Drake, KM, Li, Z., Napper, AD, Pochan, DJ und Langhans, SA (2017). Betahairpin-Hydrogele als Gerüste für die Hochdurchsatz-Wirkstoffentwicklung in dreidimensionalen Zellkulturen. Anal. Biochem. 535, 25–34.
  7. Simian, M. und Bissell, MJ (2017). Organoide: eine historische Perspektive des Denkens in drei Teilen
    Maße. J. Cell Biol. 216, 31–40.
  8. Dutta, D., Heo, I. und Clevers, H. (2017). Krankheitsmodellierung in aus Stammzellen gewonnenen 3D-Organoidsystemen. Trends Mol. Med. 23, 393–410.
  9. Langhans SA (2018) Dreidimensionale in-vitro-Zellkulturmodelle in der Arzneimittelforschung und Arzneimittelforschung
    Neupositionierung. Vorderseite. Pharmakol. 9:6.