Traditionelle 2D-Monolayer-Kultur zwingt Zellen auf Kunststoff, wodurch ihre Morphologie, Signalübertragung und Arzneimittelantwort verändert werden. 3D-Kultursysteme bilden die In-vivo-Umgebung besser nach, indem sie Zell-Zell- und Zell-Matrix-Interaktionen in allen Dimensionen ermöglichen.

Warum 3D?

Monolayer-Kultur zwingt Zellen zur Adhäsion an einer starren, flachen Oberfläche. Dies verändert ihre Zytoskelettorganisation, Kernform und Genexpression. 3D-Kultur stellt wieder her:

• Natürliche Zell-Zell-Verbindungen und Polarität.
• Diffusionsgradienten von Sauerstoff, Nährstoffen und Arzneimitteln.
• Extrazelluläre Matrix (ECM)-Interaktionen, die Proliferation und Überleben regulieren.
• Resistenz gegen Chemotherapeutika, die gegen 2D-Monolayer wirksam sind.

Sphäroidkultur

Sphäroide sind einfache 3D-Aggregate von Zellen, typischerweise 200–500 µm im Durchmesser. Sie werden gebildet durch:

• Hängender Tropfen: in einem Tröpfchen auf dem Deckel einer Kulturschale suspendierte Zellen aggregieren durch Schwerkraft am Boden des Tropfens.
• Ultra-Low-Attachment (ULA)-Platten: Rundbodenplatten, die mit einem hydrophilen Polymer beschichtet sind, verhindern die Zellanhaftung und zwingen Zellen zur Aggregation zu einem einzelnen Sphäroid pro Vertiefung.
• Magnetische Levitation: Zellen werden mit magnetischen Nanopartikeln inkubiert und mithilfe eines Magnetfelds zu Sphäroiden assembliert.

Sphäroide entwickeln einen nekrotischen Kern, wenn sie 400–500 µm überschreiten, und ahmen so die hypoxischen, nährstoffverarmten Kerne solider Tumoren nach. Dies macht sie nützlich für die Untersuchung der Arzneimittelpenetration und -resistenz bei Krebs.

Organoide

Organoide sind selbstorganisierende 3D-Strukturen, die aus Stammzellen gewonnen werden und die Architektur und Funktion eines Organs nachbilden. Sie sind komplexer als Sphäroide und enthalten mehrere differenzierte Zelltypen, die in einem gewebeähnlichen Muster organisiert sind.

Organoide werden in einem Basalmembranextrakt (Matrigel, BME) gezüchtet, der mit einem definierten Cocktail aus Wachstumsfaktoren ergänzt wird. Häufige Organoidtypen umfassen:

• Darmorganoide: enthalten alle intestinalen Epithelzelltypen (Enterozyten, Becher-, Paneth-, enteroendokrine Zellen) in Krypten-Zotten-Strukturen.
• Gehirnorganoide: selbstorganisierendes Nervengewebe mit kortikaler Schichtung.
• Tumororganoide (Tumoroids): aus Patiententumoren gewonnen, verwendet für Arzneimittelempfindlichkeitstests und personalisierte Medizin.
• Leber-, Nieren-, Bauchspeicheldrüsen-, Netzhautorganoide: für spezifische Organe etabliert.

Gerüste und Hydrogele

Natürliche ECM-Komponenten (Kollagen I, Matrigel, Fibrin) oder synthetische Hydrogele (PEG, Alginat) bieten ein 3D-Gerüst für das Zellwachstum. Die Matrixsteifigkeit, Porosität und Ligandendichte beeinflussen das Zellverhalten. Synthetische Hydrogele bieten besser definierte und reproduzierbarere Matrices als Matrigel, das tierischen Ursprungs und chargenvariabel ist.

Tests in 3D

Standard-Zelltests erfordern eine Anpassung für 3D:

• Viabilität: ATP-basierte Tests (CellTiter-Glo 3D) haben verbesserte Lyse und Detektion für Sphäroide.
• Bildgebung: Konfokale oder Multiphotonen-Mikroskopie ist erforderlich, um durch die Dicke der Struktur zu bildgeben.
• Arzneimittelpenetration: fluoreszenzmarkierte Arzneimittel können visualisiert werden, während sie durch das Sphäroid diffundieren.
• Invasion: In Kollagen oder Matrigel eingebettete Sphäroide können auf invasives Auswachsen überwacht werden.