ประเภทของการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติ มีประเภทใดบ้าง? 

      สืบเนื่องจากบทความที่แล้วซึ่งได้มีการพูดถึงการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติไปแล้วนั้น บทความนี้จะมาบรรยายถึงประเภทของการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติว่ามีแบบใดบ้างรวมถึงภาพรวมของการเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติและการนำไปประยุกต์ใช้

Spheroid models
     คือ การรวมตัวกันของเซลล์ในรูปแบบสามมิติ ซึ่งจะประกอบไปด้วยเซลล์หนึ่งประเภทหรือมากกว่า ที่สามารถเติบโตและขยายจำนวนเพิ่มขึ้น และสามารถเพิ่มการตอบสนองทางสรีรวิทยาได้ (physiological responses) แต่อย่างไรก็ดีจะไม่สามารถเกิดการเปลี่ยนสภาพ (differentiation) หรือ self-organization แหล่งเซลล์ทั่วไปสำหรับการเพาะเลี้ยงแบบ spheroid นั้น คือ primary tissues หรือ immortalized cell lines ดังตัวอย่างในรูปที่1 ซึ่งจากแนวโน้มตามธรรมชาติของเซลล์ เซลล์จะมีการรวมตัวกันขึ้นได้ แม้ไม่มี adhesive substrate spheroid จึงสามารถแสดงถึงสภาพแวดล้อมของเซลล์ที่ใกล้เคียงกับในร่างกายได้มากขึ้นกว่าการเพาะเลี้ยงแบบเดิม เนื่องจากการติดต่อระหว่างเซลล์ต่อเซลล์ที่เพิ่มขึ้น การวางตัวของพื้นที่และทิศทางที่เหมาะสม การเพิ่มกระบวนการผลิตเมทริกซ์นอกเซลล์ ที่เกิดขึ้นภายในการรวมกลุ่มของเซลล์ (cellular aggregate)

รูปที่1 Photomicrograph of a spheroid composed of HCT-116 colorectal cancer cells in culture.

       Spheroid มีความสำคัญในการวิจัยทางชีววิทยาของเซลล์เพราะสามารถเชื่อมช่องว่างระหว่าง monolayers และ complex organs ได้ และเนื่องจากสามารถรวมเซลล์ได้มากกว่าหนึ่งประเภท การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบ spheroid จึงมีส่วนช่วยในงานวิจัยเกี่ยวกับกระบวนการที่ซับซ้อน เช่น การสร้างเส้นเลือดใหม่ (angiogenesis) และการสร้างเม็ดเลือด (hematopoiesis) อีกทั้งสามารถใช้ในการตรวจคัดกรองยาจำนวนมากในกระบวนการค้นพบยาได้เช่นกัน การประยุกต์ใช้สำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบ spheroid จึงมีตั้งแต่การประเมินโปรไฟล์ความเป็นพิษของยาเพื่อตรวจสอบระดับของสารอาหารและออกซิเจนภายใน tumor cores ไปจนถึงการศึกษาการสร้างเม็ดเลือด (hematopoiesis) และพัฒนาการของหัวใจ (cardiac development) ยกตัวอย่างเช่น มีผลงานวิจัยที่มีการนำ cardiomyocytes และ vascular cells เพาะเลี้ยงร่วมกันแบบ spheroid เพื่อที่จะนำมาใช้ในการศึกษาพัฒนาการของหัวใจในหลอดทดลอง (Yan 2019) หรือจะเป็นการเลี้ยง Hepatic spheroid ซึ่งเป็นอีกช่องทางที่ใช้ในการคัดกรองยาที่ทำให้เกิดความเป็นพิษต่อตับ โดยการวัดการมีชีวิตของเซลล์และวัด cytochrome p450 (CYP) enzyme activity เป็นต้น

      Spheroid ที่ประกอบด้วยเซลล์เนื้องอกสามารถใช้เป็นแบบจำลองศึกษาการเติบโตใน tumors microenvironments ในหลอดทอดลองได้ โดยการเลี้ยงเซลล์แบบ spheroid สามารถที่จะเลือกศึกษาเซลล์ที่ต้องการศึกษาจากบริเวณต่างๆของ spheroid เพื่อศึกษาความแตกต่างในแง่ของ clonogenicity, cell cycle state และ drug response ได้ (Sutherland 1981) เมื่อแยกออกจากกัน tumor spheroid สามารถวิเคราะห์ได้โดย flow cytometry จึงมีการพบความแตกต่างของระดับออกซิเจน ระดับของสารอาหาร และอื่นๆ แสดงในรูปที่2

รูปที่ 2 Zones in a spheroid tumor culture.
Oxygen and nutrients fail to permeate to the necrotic core of the spheroid, and proliferating cells are more likely to be seen in the outer perimeter of the spheroid than within.

            นอกจากการดื้อยาแล้วยังสามารถศึกษาความเป็นพิษของยาได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับการซึมผ่านไปยังศูนย์กลางของ spheroid (Sutherland 1981) ตัวอย่างเช่น การศึกษาด้วยการเพาะเลี้ยง tumor spheroids ที่มีแนวโน้มจะดื้อต่อยาที่ใช้ต้านมะเร็งมากกว่าการเพาะเลี้ยงแบบสองมิติ ในการศึกษาหนึ่งพบว่าความแตกต่างของความไวระหว่างการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสองมิติและสามมิติของ เซลล์มะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนัก HCT-116 ให้ผลที่แตกต่างกันมากถึง 4 เท่า (Edmondson 2014)จากการบรรยายข้างต้นที่กล่าวมานั้นจึงสามารถสรุปได้ว่า การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบ spheroid มีบทบาทสำคัญในการศึกษาทางด้านสรีรวิทยาของเซลล์ ด้านมะเร็ง และการค้นพบยา เป็นต้น

Organoid models
       Organoid เป็นโครงสร้างแบบสามมิติที่ได้มาจาก เซลล์ต้นกำเนิดชนิด pluripotent stem cells (PSCs), เซลล์ต้นกำเนิดจากเนื้อเยื่อทารกแรกเกิด (neonatal tissue stem cells), หรือเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวเต็มวัย (adult stem cells) ซึ่งเซลล์ชนิดเหล่านี้สามารถ self-organize ได้เองตามธรรมชาติ เพื่อที่จะเปลี่ยนแปลงไปเป็น เซลล์ที่ทำหน้าที่เฉพาะเจาะจง (functional cell types) และ progenitor cell ซึ่งยังคงมีคุณลักษณะคล้ายกับเซลล์ต้นกำเนิดอย่างเหมาะสม (Huch 2015) organoid มีโครงสร้างที่ใกล้เคียงกับอวัยวะที่สนใจได้มากกว่าการเพาะเลี้ยงแบบ spheroid (Fang 2017) ซึ่ง organoid สามารถประกอบและจัดระเบียบโครงสร้างของเซลล์ได้ซับซ้อนตามแบบประเภทของอวัยวะ มีการแสดง cellular polarity และทิศทางการวางตัวโครงสร้างได้อย่างเหมาะสม จึงสามารถใช้ในการศึกษา differentiation, physiology และ complex multicellular interactions ในหลอดทดลองได้ และยังใช้ในการค้นพบและพัฒนายาที่ใช้ในการรักษามะเร็ง การศึกษาทางด้าน neurobiology และสาขาอื่นๆ ซึ่งมีข้อมูลการนำไปใช้ศึกษาเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ
       เซลล์ต้นกำเนิดที่ใช้สร้าง organoid อาจจะมีที่มาจากเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อน (embryonic stem cells (ESCs)) หรือเซลล์ต้นกำเนิดชนิด induced pluripotent stem cells (iPSCs) หรือมาจากเนื้อเยื่อของตัวเต็มวัย ได้เช่นกัน (de Souza 2018) โดย ESCs มีที่มาจากเซลล์ blastocysts (Huch 2015) ในขณะที่ iPSCs คือเซลล์โซมาติกของตัวเต็มวัยที่ถูก reprogram ใหม่ให้มีลักษณะและคุณสมบัติคล้ายเซลล์ตัวอ่อน เซลล์ชนิดนี้จะสามารถ redifferentiate ข้ามสายไปเป็นสายของเซลล์ชนิดอื่นได้ (Takahashi 2006) ดังแสดงในรูปที่3 การใช้เซลล์ชนิด iPSC ช่วยลดความจำเป็นในการใช้ตัวอ่อนรวมทั้งข้อกังวลทางด้านจริยธรรมอีกด้วย iPSC จึงเป็นที่นิยมสำหรับการเพาะเลี้ยงแบบ organoid
     การเพาะเลี้ยงแบบ organoid ใช้สำหรับการสร้างแบบจำลองของโรค และการศึกษาการพัฒนาอวัยวะ (Kaushik 2018) เช่น งานวิจัยที่มีการใช้ iPSC-derived organoids เพื่อศึกษา angiogenesis และ neural development and patterning ในหลอดทดลอง (Song 2019) โดยการนำ iPSCs เลี้ยงร่วมกับ adult-derived mesenchymal stromal cells เซลล์กลุ่มนี้พบการแสดงออกของ blood–brain barrier genes และการแสดงออกของลักษณะเด่นของ cortical neural differentiation เช่น synaptic activity ให้ผลการแสดงออกที่สูงขึ้น นอกจากนั้นการเพาะเลี้ยงแบบ organoid ยังมีประโยชน์อย่างกว้างขวางในการประยุกต์ใช้ศึกษาทางด้าน cancer modeling และการค้นพบยา โดยมีงานวิจัยที่มีการใช้ organoid สำหรับการคัดกรองยาจำนวนมากสำหรับการรักษาที่จำเพาะต่อบุคคลสำหรับผู้ป่วยมะเร็งเต้านมอีกด้วย (Sachs 2018)

รูปที่ 3 ESCs and iPSCs vs. adult stem cells.
(A) PSCs derived from embryonic cells or somatic cells can differentiate into germ layers.
(B) Adult stem cells are precommitted to their lineages by the organ from which they came (Huch 2015).

          จากบทความทั้งหมดที่กล่าวมาจึงกล่าวได้ว่าการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติไม่ว่าจะเป็นแบบ spheroid หรือ organoid ก็เป็นอีกหนึ่งวิธีที่จะทำให้การศึกษาระบบต่างๆได้ใกล้เคียงกับในร่างกายมนุษย์มากขึ้นแม้ทำการวิจัยในหลอดทดลอง รวมทั้งยังสามารถศึกษาระบบที่ซับซ้อนและให้ผลที่แม่นยำมากขึ้นอีก

หากท่านใดที่สนใจการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติ สามารถเข้าไปดูรายละเอียดเพิ่มเติมหรือศึกษาออนไลน์เพิ่มเติมได้ที่ https://www.thermofisher.com/th/en/home/life-science/cell-analysis/cell-analysis-learning-center/cell-analysis-resource-library/cell-analysis-guided-learning/cancer-spheroid-organoid-elearning-course.html
ข้อมูลสินค้าสำหรับงานทางด้านการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสามมิติ https://www.thermofisher.com/th/en/home/life-science/cell-culture/cell-culture-learning-center/3d-culture-analysis-products-protocols-methods.html
หรือสอบถามข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่แผนก 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 12].