注目される3D

3Dモデルを活用して最適な細胞培養を実現

in vivoにおいて、ほぼすべての細胞が複雑な3D構造からなる細胞外基質（ECM）にかこまれており、生化学的シグナルを介して隣接細胞と相互作用します¹。このため、この構造や組織を模倣できない細胞培養環境には制限があります。平面の2D環境で培養した細胞は、細胞形態、生存率、分化、増殖などの特性が変化することがよくあります。

2D細胞培養には限界があるため、研究が中断したり、前臨床での細胞ベースの薬剤および毒性スクリーニングアッセイの結果による予測が不十分なものになったりすることがあります。また、有効性を欠く腫瘍生物学モデル、前臨床薬剤開発研究での動物モデル併用への依存などの問題もあります。

3Dの利点

3D細胞培養によって細胞間および細胞-ECM間の生物学的相互作用を確立することで、特に幹細胞培養、がん研究、薬剤および毒性スクリーニング、生体組織工学などのアプリケーションにおいて、天然の組織の特異性を模倣できることを示す強力な証拠が報告されています。

2D培養と3D培養における細胞の大きな違いはその形態です。細胞は、ECMに対するインテグリン介在細胞接着の向きに基づいた形状に安定するため、2D培養の接着は細胞の片面で発生します。対照的に、3D培養の接着は細胞の表面全体で発生します²。このため、3D培養モデルでは細胞の伸展と接着に時間がかかり、場合によっては数日間かかることもあります。これは、細胞の増殖、アポトーシス、分化に直接影響を与える可能性があります^3-6。3D環境で培養した場合、細胞の種類によっては生理学的形態や機能を回復できることもあります⁷。

細胞の機能性もこの形態調整に影響され、3D環境で培養した細胞の特性は、in vivoで観察されるものにより近いものとなります^8、9。したがって、基本的に 3D細胞培養モデルでは in vivo環境を模倣できるため、in vivo様の挙動と機能性を示す細胞の増殖と分化が可能になります。

最適な結果を得るための方法

3D細胞培養モデルで細胞の挙動を正確に予測するためには、in vivo細胞の挙動を正確に再現する必要があります。これは様々な分野の研究応用に当てはまります。この再現を実現するために、3D細胞培養モデルでは通常、ハイドロゲルをベースにしたマトリックス、または合成スキャフォールドが必要になります。3D細胞培養を成功させるために最も一般的に使用されているのが、天然由来のECMベースのハイドロゲルです。

ハイドロゲルとECMは、3D細胞培養に極めて有効なマトリックスです。天然組織と非常によく似た特性を持ち、一般的に天然材料に由来するこれらのゲルは、生体適合性と生物活性に優れているため、細胞の機能が促進されます¹⁰。また、合成ハイドロゲルや合成スキャフォールドの使用も 3D細胞培養に有効な方法です。

3D細胞培養では、細胞スフェロイドも使用されます。3Dスフェロイド培養は、接着細胞の凝集性によって形成されるシンプルなモデルで、幅広い種類の細胞から作製できます。スフェロイドは、固形組織の様々な側面を自然に模倣するため、腫瘍研究のツールとして効果的です。また、通常、多能性幹細胞（PSC）の分化によってもスフェア構造が形成されるため、スフェロイドは優れた生理学的3Dモデルとして使用できます。

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サポート情報

参考文献：

1.     Lodish H, et al. Molecular Cell Biology. New York W.H. Freeman and Company (2002).
2.     Baker BM and Chen CS. J. Cell Sci. 125(13):3015-3024 (2012).
3.     Singhvi R, et al. Science 264:696-698 (1994).
4.     Chen CS, et al. Science 276:1425-1428 (1997).
5.     Thomas CH, et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99:1972-1977 (2002).
6.     McBeath R, et al. Dev. Cell 6:483-495 (2004).
7.     Benya PD and Shaffer JD. Cell 30:215-224 (1982).
8.     Debnath J and Brugge JS. Nat. Rev. Cancer 5:675-688 (2005).
9.     Nelson CM and Bissell MJ. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 22:287-309 (2006).
10. Dawson E, et al. Adv. Drug. Deliv. Rev. 60(2):215-228 (2008).