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3次元培養技術

3次元培養のモード

3次元培養とその分類

接着性細胞は生体内では3次元的な集団とし存在し、それらは常に細胞-細胞、細胞-細胞外マトリックスで相互作用をしながら生存しています。
古典的な培養方法(単層培養)では、容器に貼りつく形で単層状に培養されますが、培養容器への接着による過度な増殖シグナルの活性化がおこっており、また、細胞同士も2次元的にしか相互作用できないため、生体内に存在する場合と単層培養とでは細胞の性質も大きく異なることが知られるようになりました。
このような背景のもと、細胞を3次元的に培養し、細胞-細胞、細胞-細胞外マトリックスの相互作用を再現して、細胞機能を生体に近づける試みがなされています。

3次元培養の手法は2つに大別されます。
1つは細胞外マトリックスなどを培養培地に添加する手法(scaffold type)で、もう1つは低接着性容器を用いる手法(scaffold-free type)です。各々メリット、デメリットがあり、使い分けています。

Scaffold Type(足場型) Scaffold-Free Type(浮遊型)
メリット
  • ・過去の実績が多くあり、研究の継続性がある(3次元培養のスタンダード)。
  • ・より生体に近く良好な増殖性を示す。
  • ・立体的な組織構築に適している。
  • ・プレートタイプ製品が多く、単層培養と同様の取り扱い・観察が可能。
  • ・プラスチック製品であり、均一性が高い。
  • ・HTSに最適な製品設計。
デメリット
  • ・特に生体由来物質を使用したScaffoldは安定性、実験の再現性に課題がある。
  • ・コーティング等、培養に必要な工数が多い。
  • ・ゲルに包埋されたスフェロイドは、高さ方向の存在位置がばらつくため、同じ焦点で観察が困難。
  • ・足場を持たないため、増殖性が低い。
  • ・死細胞を巻き込んだスフェロイド形成や、スフェロイド内細胞死が多い。

生物由来マトリックスを用いたscaffold-based 3D cell cultureは、in vivoを模倣した細胞の微小環境を再現でき得ることから、癌、再生医療及び毒性研究など様々な基礎研究分野で標準的に利用されていますが、ロット間誤差や実験操作の煩雑さなどの問題で、創薬スクリーニングのような高い再現性とスループットを必要とする試験研究では利用が困難とされています。

ORGANOGENIX社のNanoCulture Plate及びNanoCulture Dishはマトリックス成分の添加を必要としないscaffold typeの3次元培養システムです。

Scaffold type

Biological matrix
MatrigelTM (Corning)
Collagen
Soft agar
NanoCulture Plate
Artificial scaffold
Fiber
Sponge/mesh

Scaffold-free type

Hanging drop
Low attachment plate
Round-bottom
Flat-bottom
Low attachment coating
Poly-HEMA
Rotary culture