3D 細胞培養入門
3D細胞培養（三次元細胞培養）は、基礎研究や創薬にますます使用されるようになってきています。ここでは、3D細胞培養とは何か、なぜ、どのように使用されているのか、3Dモデルで使用するアッセイの選び方について学びます。3D培養における生物学をモニタリングするためのツールについてもご紹介します。
このガイドでは、3D培養とアッセイの概要を説明します。3D培養に最適化されたアッセイの全リストに関する情報は、3Dアッセイのページをご覧ください。
New Approach Methodologies (NAMs) now carry explicit FDA validation requirements for reproducibility, longitudinal tracking, and standardization across complex models. If you're building workflows around spheroids, organoids, or organs-on-chips, those requirements reach every assay you rely on. We've spent more than 20 years building bioluminescent assays to address these exact challenges and keep up with NAMs research demands.
3D 細胞培養とは？
3D 細胞培養は、細胞外構造が取り巻く中で細胞が増殖、相互作用するため3次元で構成される培養環境です。これは平面で単層に細胞が増殖する従来の2D細胞培養とは対照的です。3D 細胞培養ではで支持する足場の有無にかかわらず増殖することができます。
スキャフォールド 3D 細胞培養
3D細胞はすべての方向に増殖できる足場支持体の中で培養することができます。汎用される足場には以下のようなものがあります。
一般的な足場の例:
ハイドロゲル: 水を吸収・保持できる架橋された重合鎖のネットワークを含むポリマー材。ハイトロゲルには動物 (Matrigel®, collagen) または植物 (alginate/agarose) 由来のものや化学合成 (QGel® Matrix) されたものがあります。
不活性マトリックス: 細胞が増殖、成長するための多孔性ポリスチレンのスポンジ様メンブレン
スキャフォードフリー 3D 細胞培養
3D 培養では支持体となる足場が無くても増殖させることもできます。スキャフォードフリー 法は細胞自らがクラスターやスフェロイドへと自己組織化する能力に依存しています。
汎用されるスキャフォードフリー 法には以下のものがあります:
低接着表面プレート: 細胞が接着するのを防ぐために疎水性ポリマーで表面がコートされたプレートで、これにより細胞同士がクラスターを形成したり、細胞自身で細胞外マトリックス (ECM) を形成します。
マイクロパターン表面プレート: 細胞クラスターとしての増殖を誘導するマクロパターンやマイクロウェルで表面加工されたプラスチックプレート
ハンギングドロップ: ぶら下がった状態の培地内に細胞を入れ、そのドロップの底で細胞を集合させてスフェロイドを形成させる方法
オルガノイド
三次元細胞培養分野における重要な進歩は、健常あるいは病変した成体幹細胞や人工多能性幹細胞（iPSC）からオルガノイドを作製することです。
これらの出発材料を用いることで細胞は分化し、自己組織化してオルガノイドとなり、目的とする特定の組織や臓器の細胞不均一性や本来の環境を模倣することができます。
マイクロ流体 臓器チップ モデル
臓器チップ (Organ-on-a-Chip) は臓器の生理を模倣する3D マイクロ流路細胞培養チップです。マイクロチップのシャンバー内の足場上で3D 細胞が増殖します。液体を流す微細な流路（µlからpl レベル）で栄養やその他の化合物などを細胞に送ります。
特集記事: 3D モデルの有望性と課題
それは我々がモデル系に対していつも行っていることです。それはモデル系を少しでも真に近づけること。 3Dは一歩前進だと誰もが認めていると考えます。
この特集記事では、3D 細胞培養系を用いる上での利点と課題について説明いたします。
なぜ 3D 細胞培養系を使用するのか？
研究者は細胞や疾患メカニズムを研究するために長い間 プレート上で2D 細胞培養を行ってきました。2D 細胞モデルは培養およびそれを用いた実験を行う上で簡便でコストパフォーマンスに優れた方法でしたが、ここ10年の間に3D細胞培養は、より生理学的な関連性が高く、生体内組織をよりよく表現しているため、3D 細胞培養を利用するケースが増えてきました。
生体では他の細胞や組織が含まれずに単層で増える細胞が無く、ほとんどの細胞は細胞外マトリクスの中で異なる細胞種からなる複雑な 3D 構造として存在しています。数多くの細胞-細胞および細胞-マトリクス相互作用は様々な性状に影響を与えています。さらに、2D 単層培養では栄養や酸素に一様にアクセスでできますが、がんなどの細胞塊にはあてはまりません。3D がんスフェロイドはより in vivo のがんを反映しており、内部の細胞は外層の細胞に比べ栄養や酸素へのアクセスができづらく、自然の勾配が形成されています。
3D 細胞培養を利用する理由 :
- 3D 培養は組織様の構造により近い
- 異なる細胞機能を提示できる
- 2種類以上の異なる細胞種を共培養可能
- 低酸素状態や栄養素勾配など微小環境を模倣可能
- 薬剤処理に対する iv vivo 応答のより良い予測が可能
特集記事: 3D モデルの有望性と課題
それは我々がモデル系に対していつも行っていることです。それはモデル系を少しでも真に近づけること。 3Dは一歩前進だと誰もが認めていると考えます。
この特集記事では、3D 細胞培養系を用いる上での利点と課題について説明いたします。
3D 細胞培養アプリケーション
3D 細胞モデルの使用は疾患メカニズムの理解、薬剤治療の開発のために徐々に増えています。そのプロセスには 患者からのがんオルガノイドなどの3D培養から派生するものも含まれます。3D 培養は低分子薬剤のスクリーニングに使用でき、疾患パスウェイの理解にも役立ちます。3D細胞培養系は2D 培養系に比べてより正確に薬剤処理の有効性や毒性を予測することができます。
3D 培養におけるバイオロジーのモニタリング
3D培養モデルを扱う場合、適切なアッセイシステムを選択することが重要です。3D培養における生物学をモニタリングするためのツールについて学びましょう。
薬剤開発現場における 実際の3D培養系の利用例 :
ビデオ
"私たちはナノマテリアルの評価のために 3D 肝臓モデル開発を検討しており ... 動物実験を低減あるいは差し換えることのできる一連のモデルの構築を目指しています。"
"私たちはオルガノイドを用いたスクリーニング系を構築しています。この系は臨床におけるより正確な予後予測を可能にする次世代の 3D モデルになると信じています。”
ブログ記事
3D 細胞培養アッセイ
3D 培養系を用いた研究を行う上で大きな課題の1つは、うまく機能するアッセイ系を探し出すことです。汎用される細胞ベースアッセイは元々 2D の単層培養細胞または浮遊細胞のためにデザインされています。このように設計された試薬では 3D 構造のサイズやボリュームを考慮していないため、細胞の溶解力に限界があったり、アッセイケミストリが十分機能しない場合もあります。多くの場合、細胞を取り巻く細胞外マトリックス (ECM) がスフェロイドの中心部に試薬が浸透するのを防いでしまいます。これが 3D モデルシステムごとに細胞ベースアッセイを最適化、検証しなければいけない重大な理由です。最初のステップは溶解液や検出試薬との攪拌時間やインキュベーション時間を延長することなどかもしれません。あるいは、様々な 3D モデルシステムで機能検証された市販のアッセイを選ぶこともできます。
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