การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบ 3 มิติ (3D cell culture) คืออะไร? 

               3D cell culture หรือ การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบ 3 มิตินั้น เป็นการเพาะเลี้ยงเซลล์ที่กำลังเป็นที่นิยมเพิ่มขึ้นในกลุ่มของนักวิจัย เนื่องจากการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบ 3 มิติสามารถทำให้นักวิจัยเข้าใจกระบวนการทางชีววิทยา (biological processes) ในสภาวะปกติและ/หรือสภาวะเป็นโรค (disease) ของ model โรคต่างๆ ในระดับห้องปฏิบัติการได้ดียิ่งขึ้น และแม่นยำมากขึ้นกว่าระบบการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสองมิติ (2D) ที่นักวิจัยใช้ในห้องปฏิบัติการมานานหลายทศวรรษ ซึ่งการเพาะเลี้ยงแบบสองมิตินั้นได้รับการยอมรับอย่างกว้างขว้าง โดยเซลล์จะถูกเลี้ยงเป็น monolayer ในภาชนะ dish หรือ flask อย่างไรก็ตามพบว่าการเพาะเลี้ยงแบบสองมิตินั้นยังมีข้อจำกัดอยู่ หากต้องการศึกษารายละเอียดให้ลึกลงไปมากขึ้น การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติจะสามารถตอบโจทย์ได้มากกว่า เนื่องจากสามารถจำลองสร้างสภาวะแวดล้อมในเชิงสรีระวิทยาสำหรับเซลล์ได้ใกล้เคียงมากกว่าแบบสองมิติ และอีกสิ่งที่สำคัญของสภาวะแวดล้อมสำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์ก็คือ แมทริกซ์ที่อยู่นอกเซลล์ extracellular matrix (ECM) ซึ่งทำหน้าที่ในการส่งเสริมโครงสร้างสำหรับเซลล์ และควบคุมกระบวนการที่หลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นทางด้าน cell migration, cell proliferation, cell differentiation รวมถึง cell-to-cell communication จึงทำให้การเพาะเลี้ยงแบบสามมิติ ซึ่งเพาะเลี้ยงเซลล์ด้วยแมทริกซ์ที่อยู่นอกเซลล์อย่างเหมาะสม เซลล์จะสามารถประกอบตัวเองขึ้นเป็นรูปร่าง (self-assemble) ได้ ทำให้ท่านสามารถสังเกตเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง (morphogenesis) ได้อย่างชัดเจนในหลอดทดลอง นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างอื่นๆระหว่างการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสองมิติและสามมิติ สามารถดูรายละเอียดเพิ่มได้ที่ตารางที่ 1

ตารางที่ 1 ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างระบบการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสองมิติและสามมิติ
ปรับปรุงจาก Edmondson 2014; Horvath 2016.

วิธีการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติ
               วิธีการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิตินั้นมีด้วยกันหลากหลายวิธีการ ยกตัวอย่างวิธีการ ดังแสดงในรูปที่ 1 ด้านล่างนี้ วิธีการเหล่านี้มีตั้งแต่ระบบการเลี้ยงแบบ static suspension หรือแบบ hanging-drop culture และซับซ้อนมากขึ้นด้วยการใช้ spinner flasks หรือ bioprinters วิธีการทั้งหมดเหล่านี้สามารถเลือกใช้และปรับให้เหมาะสมกับความต้องการของห้องปฏิบัติการของแต่ละท่านได้ เช่น วิธีการแบบ static suspension จะอาศัยภาชนะแบบหลุมที่มีก้นกลม round-bottom รูปทรงแบบ U-bottom สำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์ให้เป็นรูปร่างแบบ spheroid ซึ่งการเลี้ยงเซลล์ด้วยภาชนะแบบก้นกลมนั้นจะทำให้เซลล์ยากที่จะเกาะกับพื้นผิวภาชนะและโตแบบ adherence ได้ หรือวิธีแบบ Gel-embedding ซึ่งอาศัยการใช้ Extracellular matrices (ECM) ในการเพาะเลี้ยงเซลล์ ซึ่งจะเป็นสารที่มีที่มาจากธรรมชาติ (เช่น คอลลาเจน) หรือเป็นสารสังเคราะห์ที่สร้างเพื่อรองรับการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติก็ได้เช่นกัน ยกตัวอย่างสารเหล่านี้ ได้แก่ gelatin, laminin, hyaluronic acid, polyethylene glycol (PEG), polyactic acid (PA), และ polyglycolic acid (PGA) เป็นต้น โดย ECM ที่จำเพาะเหมาะสมสำหรับเซลล์ประเภทที่สนใจนั้น จะทำให้การสร้างแบบจำลองของ tumor microenvironment ในหลอดทดลองให้ผลที่ดียิ่งขึ้นไปอีก

รูปที่ 1 วิธีการที่ใช้ทั่วไปสำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติ
(A) Hanging-drop culture. (B) Spinner flask culture. (C) Magnetic levitation of cells preloaded with magnetic nanoparticles. (D) Static suspension of cells in low-attachment plates. (E) Static suspension in round-bottom 3D culture plates. (F) ECM embedding. (G) 3D bioprinting.

Application ที่มีการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติ
Tumor modeling
การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติได้เข้ามามีบทบาทมากขึ้นในงานเกี่ยวกับ solid tumor modeling โดยระบบการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติเหล่านี้สามารถเลียนแบบส่วนประกอบทางชีวเคมี (biochemical) และจำลองการสร้างเซลล์ของเนื้องอกได้ใกล้เคียงกว่าการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสองมิติ นอกจากนั้นการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติสามารถถอดแบบกระบวนการต่างๆที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่อเนื้องอกเติบโตในร่างกายได้ เช่นกระบวนการเหล่านี้ angiogenesis, hypoxia, necrosis และ cell adhesion (Benien 2014)

Genetic disease modeling
Organoids เป็นโครงสร้างของเนื้อเยื่อแบบสามมิติที่เติบโตมาจากสเต็มเซลล์เพื่อเป็นเซลล์ที่จำเพาะต่ออวัยวะนั้นๆ หากมีการนำเซลล์ต้นกำเนิดมะเร็ง (cancer stem cells) มาใช้อาจมีการเรียกว่า primary tumor spheroid หรือ tumoroid ได้ ซึ่ง Organoids นั้นสามารถใช้ทำแบบจำลองของอวัยวะต่างๆสำหรับโรคที่สนใจได้ ในโรคบางชนิดที่มีความเกี่ยวข้องกับ specific DNA sequence variations การใช้แบบจำลองที่มาจากสเต็มเซลล์อาจใช้เป็นแนวทางสำหรับการสร้าง isogenic lines ขึ้นได้ อีกทั้งโรคในกลุ่ม disease-associated mutations นั้น สามารถศึกษากระบวนการกลายพันธุ์ที่เกี่ยวข้องกับโรคดังกล่าวได้ เช่น การเลี้ยงเซลล์ที่มีที่มาจากอาสาสมัครที่สุขภาพดี (healthy donor) โดยสามารถดัดแปลงแก้ไขยีน (gene editing) เพิ่มเติมเพื่อศึกษาเกี่ยวกับการกลายพันธุ์ที่สนใจได้ ซึ่งในการเพาะเลี้ยง cell lines ส่วนใหญ่นั้นมักมีที่มาจากกลุ่มคนไข้ที่มีลำดับ sequence ที่เกี่ยวข้องและการกลายพันธุ์แบบ wild type การเพาะเลี้ยงแบบนี้จึงทำให้สามารถเปรียบเทียบฟีโนไทป์ประเภท wild type และ mutant ที่สนใจได้ ซึ่งจะทำให้ศึกษา disease progression ได้มากยิ่งขึ้น

Drug discovery
กระบวนการค้นพบยามีความซับซ้อนและมีหลายแง่มุม การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิตินับเป็นอีกวิธีที่สำคัญในการอำนวยความสะดวกกระบวนการนี้ โดยการช่วยเรื่องการคาดการณ์ประสิทธิภาพของยาได้มากขึ้นรวมทั้งด้านความเป็นพิษอีกด้วย (Fang 2017) การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติประเภทต่างๆมีบทบาทในการสาธิตกิจกรรมและความปลอดภัยของสารที่สนใจดังกล่าว ตั้งแต่การระบุเป้าหมายไปจนถึงการทดสอบขั้นพรีคลินิก (preclinical) ดังแสดงในรูปที่2

รูปที่ 2 การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติที่ใช้ในขั้นตอนของการค้นพบยา

Precision medicine
การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติโดยเฉพาะ Organoids เป็นอีกวิธีที่สามารถช่วยใช้ในการรักษาที่แม่นยำและจำเพาะต่อบุคคลได้ เนื่องจากเซลล์มะเร็งมีการกลายพันธุ์และมีความแตกต่างกันระหว่างผู้ป่วยมะเร็ง ดังนั้นการเพาะเลี้ยงเซลล์จากเนื้องอกขนาดเล็กจากคนไข้แต่ละคน เพื่อนำมาทดสอบความไวต่อการรักษาแบบต่างๆนั้น จึงได้ถูกนำมาใช้ในการศึกษาหายาที่จำเพาะในการรักษาคนไข้แต่ละบุคคลได้

          ทั้งหมดนี้เป็นเพียงตัวอย่างของ Application งานเบื้องต้นที่มีการศึกษาด้วยการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติ ซึ่งได้บรรยายถึงข้อดี เมื่อเปรียบเทียบกับการเพาะเลี้ยงด้วยแบบสองมิติแบบเดิมที่มีการใช้ศึกษามาร่วมสิบปี รวมทั้งตัวอย่างวิธีการเพาะเลี้ยงแบบสามมิติ หากท่านสนใจศึกษาการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติ เพื่อสำหรับวางแผนงานในปัจจุบันหรือเตรียมขยับขยายการเลี้ยงเซลล์จากแบบสองมิติสู่แบบสามมิตินั้น

สามารถอ่านรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ https://www.thermofisher.com/th/en/home/life-science/cell-culture/organoids-spheroids-3d-cell-culture.html
หรือสามารถติดตามอ่านบทความในหัวข้อเกี่ยวกับการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติได้ในหัวข้อถัดไป ซึ่งจะมีการแนะนำประเภทของการเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติ วิธีหรือขั้นตอนสำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์สามมิติ รวมทั้งแนะนำสินค้าที่เกี่ยวข้องได้ ใน 3D culture series
หรือสามารถสอบถามข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่แผนก Technical support e-mail: TAS@3nholding.com หรือฝ่ายงาน Life Science product โทร 022748331

เอกสารอ้างอิง Thermo Fisher Scientific Inc. 3D Cell Culture and Analysis Handbook [online]. 2020.
Available from: https://www.thermofisher.com/th/en/home/global/forms/life-science/download-3d-cell-culture-analysis-handbook.html [2021, December 11].