Die Nutzung von Tiermodellen ist in vielen Bereichen der universitären und industriellen biomedizinischen Forschung eine weit verbreitete Praxis um Forschungsergebnisse, beispielsweise aus der herkömmlichen 2D-Zellkultur, im Kontext eines vollständigen Organismus betrachten zu können. Vielfach werden die in Tiermodellen generierten Daten als essentieller Schritt für die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen angesehen, allerdings kann aufgrund spezies-spezifischer Unterschiede keine Übertragbarkeit garantiert werden [1, 2].
Das 3R-Prinzip
Zudem rücken ethische Bedenken an Tierversuchen mehr und mehr in den Fokus der Forscher und allgemeinen Öffentlichkeit, aber auch der Gesetzgeber. Schon 1959 wurde das 3R Prinzip für einen verantwortungsvollen Umgang mit Tierversuchen formuliert, dessen Ziel es ist, diese in der wissenschaftlichen Forschung zu vermeiden, deren Anzahl zu verringern und dabei das Leid der Tiere geringstmöglich zu halten (Replacement, Reduction, Refinement) [3].
3D-Zellkultur als Beitrag für verantwortungsvollen Umgang mit Tierversuchen
Um daher simultan physiologisch und spezies-relevante Ergebnisse unter Reduktion des Tierversuchsaufwands generieren zu können, hat sich über die letzten Jahre die dreidimensionale Zellkultur (3D-Zellkultur) als verlässliche, zukunftsträchtige sowie, im Vergleich zu Tierversuchen, kostengünstige Zellkulturtechnik in vielen Laboren weltweit etabliert.
Sphäroid- und Organoidkulturen imitieren die in vivo-Situation
Durch die Ausbildung dreidimensionaler Strukturen in Modellsystemen wie Sphäroid- oder Organoidkulturen können ausgeprägte Zell-Zell-Kontakte wie auch Zell-Matrix-Kontakte ähnlich denen im Vergleichsgewebe in vivo etabliert werden. [4] Somit sind Zellen, die in 3D-Strukturen kultiviert werden, in ihrer Morphologie und ihrem Verhalten z.B. auf Genexpressionsebene näher am in vivo-Zustand als Zellen in 2D-Kulturen – sie ahmen also die in vivo-Mikroumgebung nach [5].
Modelle der 3D-Zellkultur ermöglichen patientennahe Studien z.B. in der Medikamentenforschung
Es können sogar Multiorgansysteme in vitro unter Einsatz von 3D-Zellkulturansätzen nachgestellt werden. [6] Diese Vielzahl an technischen Möglichkeiten verschiedener Komplexitätslevel bietet auch abseits der Grundlagenforschung in der Medikamentenentwicklung und personalisierten Medizin vielversprechende Ansätze. So können physiologisch aussagekräftige Toxizitätstest neuer Moleküle in der Medikamentenentwicklung und unmittelbar an humanen Zellen durchgeführt werden ohne dabei eine Vielzahl an Tierversuchen durchführen zu müssen. Außerdem wird das Screening nach geeigneten Medikamenten durch 3D-Zellkultur erleichtert und es kann anschließend zielgerichteter an vielversprechenden Kandidaten geforscht werden. [7] Es können auch beispielsweise patienteneigene Zellen zu 3D-Modellen herangezogen werden, um anschließend zur Auswahl stehende Therapieoptionen vorab auf ihre Wirksamkeit zu testen und von Beginn an mit der aussichtsreichsten Therapie behandeln zu können [6].
BIOFLOAT™ bietet zuverlässige Sphäroidbildung für reproduzierbare Ergebnisse
Doch auch wenn eine Vielzahl von Zellmodellen bereits beschrieben wurden und weltweit zum Einsatz kommen, steht die 3D-Zellkultur vielerorts erst in den Startlöchern. Um Wissenschaftler bei ihrem Einsatz zur Reduktion von Tierversuchen und auf dem Weg zu neuen Erkenntnissen zu unterstützen, bietet SARSTEDT mit BIOFLOAT™ verlässliche Qualität und, begleitet von unserer jahrelangen Erfahrung im Bereich Zellkultur, ausführliche Unterstützung für erfolgreiche Wachstumsergebnisse.
[1] Bell, Catherine C, Anita C A Dankers, Volker M Lauschke, Rowena Sison-Young, Roz Jenkins, Cliff Rowe, Chris E Goldring, Kevin Park, Sophie L Regan, Tracy Walker, Chris Schofield, Audrey Baze, Alison J Foster, Dominic P Williams, Amy W M van de Ven, Frank Jacobs, Jos van Houdt, Tuula Lähteenmäki, Jan Snoeys, Satu Juhila, Lysiane Richert, and Magnus Ingelman-Sundberg. "Comparison of Hepatic 2D Sandwich Cultures and 3D Spheroids for Long-term Toxicity Applications: A Multicenter Study." Toxicological Sciences 162.2 (2018): 655-666.
[2] Imamura, Yoshinori, Toru Mukohara, Yohei Shimono, Yohei Funakoshi, Naoko Chayahara, Masanori Toyoda, Naomi Kiyota, Shintaro Takao, Seishi Kono, Tetsuya Nakatsura, and Hironobu Minami. "Comparison of 2D- and 3D-culture models as drug-testing platforms in breast cancer." Oncology Reports 33.4 (2015): 1837-1843.
[3] Curzer, Howard, Gad Perry, Mark Wallace, and Dan Perry. "The Three Rs of Animal Research: What they Mean for the Institutional Animal Care and Use Committee and Why." Science and Engineering Ethics 22.2 (2015): 549-565.
[4] Huh, D., G. A. Hamilton, and D. E. Ingber. "Program, B. From Three-Dimensional Cell Culture to Organs-on-Chips." Trends Cell Biol 21 (2011): 745-754.
[5] Bédard, Patrick, Sara Gauvin, Karel Ferland, Christophe Caneparo, Ève Pellerin, Stéphane Chabaud, and Stéphane Bolduc. "Innovative Human Three-Dimensional Tissue-Engineered Models as an Alternative to Animal Testing." Bioengineering 7.3 (2020).
[6] Suarez-Martinez, Elisa, Irene Suazo-Sanchez, Manuel Celis-Romero, and Amancio Carnero. "3D and organoid culture in research: physiology, hereditary genetic diseases and cancer." Cell & Bioscience 12.1 (2022).
[7] Barbosa, Mélanie A. G., Cristina P. R. Xavier, Rúben F. Pereira, Vilma Petrikaitė, and M. Helena Vasconcelos. "3D Cell Culture Models as Recapitulators of the Tumor Microenvironment for the Screening of Anti-Cancer Drugs." Cancers 14.1 (2021).
