52 Hafta Bilim / 13. Hafta — in vitro Hucre Kulturu | 2D vs 3D
Merhaba! ’52 Hafta Bilim’ yazi dizisinin 13. bolumunu okuyorsunuz. Doku ve organ muhendisligi ile ilgili yazilarda onceki haftalarda konuya parca parca giris yapmis ve kullanilan tekniklerden bahsetmeye baslamistik. Bu bolumde ise konuyu biraz daha derinlestirerek 3 boyutlu doku muhendisligi uygulamalarinin en onemli avantajindan bahsedecegiz; 2 boyutlu ve 3 boyutlu hucre kulturu arasindaki farklar!
Yakin bir gecmise kadar hucre kulturu denildigi zaman akla ilk gelen gorsel cogunlukla (hatta belki yalnizca) plastik kaplar icerisinde pembe/kirmizi sivilar yardimiyla yapilan deneyler oluyordu. Ancak su anda bu algi degisti; artik plastik kaplar icerisinde pembe/kirmizi sivilar yardimiyla yapilan deneyler geliyor akla!
— — — — — — Degismedi mi yoksa? — — — — — —
Once temel tanimlar ile baslayalim. in vitro hucre kulturu dedigimiz calisma, bir kaynaktan elde edilen hucrelerin kontrollu uygun kosullar altinda cogaltilmasi ve/veya farklilasmanin saglanmasi calismalarini kapsamaktadir. Ilk olarak Ross Harrison’in 1907 yilinda yaptigi calisma [1] ile kullanilmaya baslanmis teknik, gunumuzde o kadar yaygin bir sekilde kullanilmaktadir ki neredeyse her gun yeni bir hucre kulturu calismasi yapilmaktadir (…diyerek bir istatistik uydursam bence yanlis olmaz).
Bu calismalar, elimizdeki cogalma yetisine sahip hucrelerin fizyolojik ortami taklit eden bir ortam icerisinde bekletilerek uremelerine zaman tanimak temelinde yurutulur.
Fizyolojik ortami taklit eden ortam; 37 santigrat derece sicaklik ile nemli bir ortam, 5% karbondioksit iceren hava ve gerekli bazi biyolojik bilesenlerden olusuyor. Bu biyolojik bilesenler arasinda bazi gerekli proteinler, karbohidratlar gibi unsurlar bulunuyor.
Eger calistigimiz hucreleri duzlemsel bir yuzey uzerinde (yukaridaki gorselde gorulebilecek plastik kaplar gibi; zaten in vitro terimi de buradan geliyor: lat. cam uzerinde) cogaltirsak, bu bir 2 boyutlu (2D) hucre kulturu calismasi olur. Hucreler genellikle bu kaplarin uretildigi malzemeye yapisarak cogalir ve boylelikle 2D bir tabaka seklinde hucre toplulugu elde edilir.
Simdi, hucre kulturu calismasini yukaridaki gorsel uzerinden tekrar inceleyelim. Elimizdeki kaynaktan (yaprak) elde ettigimiz hucreler (kirmizi oklar yonunde elde edilen hucre), uygun kosullarda cogaltiliyor. Onceki yazilardan hatirlayacagimiz uzere doku muhendisligi calismalari da bu mekanizma ile ilerliyordu zaten. Bu sefer elimizdeki hucreleri cogaltarak bir doku elde edebiliyoruz (mavi oklar yonunde ilerleyecek calismalar sonucunda elde edilecek yaprak).
Eger biz bu hucreleri bir duzlem uzerine yapistirarak cogaltmak yerine farkli bir secenek dusunecek olursak, isin icine 3D hucre kulturu kavrami girmis oluyor. 3D hucre kulturu calismalari tek bir teknik uzerinden ilerlemiyor. Farkli farkli yontemler var ve genellikle kullandiginiz yontem, elde edeceginiz hucre toplulugunun uzerinde cesitli etkilere sahip oluyor.
Bu yontemlerin bir kismina biraz yuzeysel bir giris yapabiliriz bu yazi dizisi kapsaminda;
A secenegi zaten yukarida anlattigimiz sekilde tipik bir 2D hucre kulturu calismasini gosteriyor. Gordugunuz gibi hucreler duzlemsel bir sekilde cogaliyor. Cogalan hucreleri kagit seklinde dusunebilirsiniz. Bu yontem uygulanma basitligi ve hucrelerin homojen bir ortam icerisinde bulunarak kontrol edilebilir bir sekilde manipule edilebilmeleri imkani sagladigi icin yaygin bir sekilde kullaniliyor.
Ucuz ve kolay uygulanabilir olmasi 2D hucre kulturunun en buyuk avantajlari olmasina karsilik ortamdaki hucrelerin, butun bir dokunun ozelliklerini tamamen karsilayamaz olusu yontemin en onemli dezavantajidir. Ayrica yuksek sayida tekrar ile kulturlenen hucrelerin gen ekspresyon mekanizmalarinin bozuldugu ve biyokimyasal ozelliklerinin degistigi gozlemlenmistir.
B secenegi, bize bir biyomateryal ihtiyaci doguruyor. Fakat ondan daha once, tanimlamamiz gereken farkli bir terim ile karsilasiyoruz. Spheroid; ingilizce “sphere | kure” kelimesinden tureyen bir terim.
Motamot “kuresel cisimcik” seklinde cevirebilecegimiz spheroid, bir araya gelmis az sayida hucrenin olusturdugu topaklanmis yapilari tanimlamak icin kullaniliyor. Buradaki onemli noktalardan birisi spheroidlerin doku ozelligi gostermiyor olmasi. Yani elimizde yalnizca bir araya gelmis, doku islevi kazanmasina yardimci olacak hucreler arasi ortam (extracellular matrix | ECM) uretimi gerceklesmemis topaklanmis bir yapi var.
Elimizdeki spheroidleri bir destek gorevi gorecek (ECM benzeri bir isleve sahip) biyolojik materyal uzerine yerlestirirsek | ekersek, hucreler bu materyalden destek alarak ureyecekler. Burada unutmamaniz gereken nokta, fizyolojik ortamin saglanmasi bu calismalarda da kritik bir unsur.
C secenegi, B seceneginde uygulanan teknigin aynisi ancak tek bir fark var; spheroidler biyomateryalin uzerine degil icine gomulu halde bulunuyor. Bu teknigin avantaji, hucrelerin biyomateryal ile etkilesiminin (dolayisi ile ureme uzerine etkisi olan unsurlarin) B secenegine gore daha homojen bir halde olmasi.
D secenegi ise en yaygin kullanilan 3D hucre kulturu yontemlerinden birisi. Bu sefer bir biyomateryal ihtiyacimiz yok ve cesitli teknikler ile elde ettigimiz spheroidler bir biyomateryal ile etkilesim halinde degil. Onun yerine direkt olarak hucre kulturu ortami (fizyolojik ortamdaki biyolojik unsurlar) icerisinde suspansiyon | ortamda asili halde bulunuyorlar; bu sekilde cogaliyorlar.
Bu noktada literaturde karsilasabileceginiz organoid ve embryoid terimleri var. Bunlarla ilgili ayri bir yazi gelecek ilerleyen bolumlerde.
Ilk yazilardan beri kullandigimiz scaffold | doku iskelesinin devreye girdigi nokta tam olarak burasi iste. B ve C seceneklerinde belirtilen biyomateryal, aslinda scaffold! Biz 3D hucre kulturu calismamizi bir scaffold kullanarak gerceklestirirsek eger, ve bu scaffold istedigimiz bir sekildeyse (femur biciminde mesela) scaffold sinirlari dahilinde cogalarak doku ozelligi gostermeye baslayacak olan hucreler, bize istedigimiz sekle sahip bir doku elde etme imkani saglayacaktir.
Konu ozeti karsilastirma tablosu
Kaynakca
[1] R.G. Harrison, M.J. Greenman, F.P. Mall, C.M. Jackson, Observations of the living developing nerve fiber, Anat. Rec. 1 (1907) 116–128. doi:10.1002/ar.1090010503.
[2] B. Duan, M. Wang, Customized Ca-P/PHBV nanocomposite scaffolds for bone tissue engineering: design, fabrication, surface modification and sustained release of growth factor, J. R. Soc. Interface. 7 (2010) S615–S629. doi:10.1098/rsif.2010.0127.focus.
Ileri Okuma
- Y. Luo, G. Engelmayr, D.T. Auguste, L. da Silva Ferreira, J.M. Karp, R. Saigal, R. Langer, 3D Scaffolds, in: Princ. Tissue Eng., Elsevier, 2014: pp. 475–494. doi:10.1016/B978–0–12–398358–9.00024–0
- M. Kapałczyńska, T. Kolenda, W. Przybyła, M. Zajączkowska, A. Teresiak, V. Filas, M. Ibbs, R. Bliźniak, Ł. Łuczewski, K. Lamperska, 2D and 3D cell cultures — a comparison of different types of cancer cell cultures, Arch. Med. Sci. 14 (2018) 910–919. doi:10.5114/aoms.2016.63743
- K. Duval, H. Grover, L. Han, Y. Mou, A.F. Pegoraro, J. Fredberg, Z. Chen, Modeling Physiological Events in 2D vs. 3D Cell Culture, Physiology. 32 (2017) 266–277. doi:10.1152/physiol.00036.2016
- Ravi, M. , Paramesh, V. , Kaviya, S. , Anuradha, E. and Solomon, F. P. (2015), 3D Cell Culture Systems: Advantages and Applications. J. Cell. Physiol., 230: 16–26. doi:10.1002/jcp.24683
- https://www.thermofisher.com/blog/cellculture/a-brief-history-of-spheroids-and-3d-cell-culture/
