Per decenni, la coltura cellulare bidimensionale è stata uno strumento fondamentale nella ricerca biologica e biomedica. Tuttavia, le cellule nel corpo non crescono come monostrati piatti: interagiscono con cellule vicine, componenti della matrice extracellulare, fattori solubili, gradienti di ossigeno e stimoli meccanici all’interno di un microambiente tridimensionale. Per questo motivo, i modelli in vitro sempre più avanzati stanno andando oltre i tradizionali sistemi 2D verso approcci di coltura cellulare 3D basati su sferoidi e organoidi.
Sferoidi e organoidi sono strutture tridimensionali sviluppate in laboratorio progettate per riprodurre alcuni aspetti di tessuti, tumori o organi in modo più realistico rispetto alle colture monostrato convenzionali. Sebbene i due termini siano talvolta utilizzati insieme, si riferiscono a modelli con diversi livelli di complessità biologica: gli sferoidi sono tipicamente aggregati cellulari compatti tridimensionali, mentre gli organoidi sono strutture auto-organizzate che possono riprodurre parzialmente l’architettura e la funzione di specifici organi.
Cosa sono gli sferoidi e come si formano?
Gli sferoidi sono piccole strutture cellulari tridimensionali, generalmente di forma sferica, generate quando cellule primarie, linee cellulari immortalizzate o popolazioni cellulari miste si aggregano attraverso adesione cellula-cellula. La loro formazione può avvenire spontaneamente o essere favorita da tecniche di coltura dedicate, tra cui metodi a “goccia sospesa” (hanging-drop), sistemi a micropozzetti, idrogel e piastre a bassa o ultra-bassa adesione progettate per minimizzare l’adesione alla superficie di coltura.
Rispetto ai monostrati 2D, gli sferoidi offrono un'organizzazione spaziale più realistica. Le cellule all’interno dell’aggregato sono esposte a livelli differenti di nutrienti, ossigeno e molecole di segnalazione, generando gradienti simili a quelli osservati nei tessuti nativi o nei tumori solidi. Queste caratteristiche rendono gli sferoidi particolarmente utili per lo studio di proliferazione, differenziazione, vitalità cellulare, invasività, penetrazione dei farmaci, tossicità e risposta a composti terapeutici.
Poiché sono relativamente semplici da generare, scalabili e compatibili con flussi di lavoro ad alto throughput, gli sferoidi sono ampiamente utilizzati nella ricerca oncologica, negli studi di tossicologia, nella ricerca sulle cellule staminali e nello sviluppo preclinico di farmaci. Gli sferoidi tumorali, ad esempio, possono riprodurre caratteristiche chiave dei tumori solidi, tra cui l’organizzazione cellulare compatta e la ridotta diffusione dei composti verso il nucleo, aiutando i ricercatori a valutare le risposte biologiche in condizioni sperimentali più predittive.
Cosa sono gli organoidi e come si formano?
Gli organoidi sono modelli di coltura 3D più complessi che si sviluppano da cellule staminali, cellule staminali pluripotenti indotte, cellule staminali adulte, cellule progenitrici o cellule derivate da tessuti. In condizioni di coltura appropriate, queste cellule possono auto-organizzarsi in strutture che riproducono caratteristiche strutturali, funzionali e genetiche selezionate dell’organo o del tessuto di origine.
A differenza degli sferoidi, gli organoidi non sono semplici aggregati cellulari. Possono presentare un grado più elevato di diversità cellulare, organizzazione simile a quella dei tessuti e funzionalità specifiche di organo. Modelli di organoidi di cervello, intestino, fegato, polmone, rene e cuore, ad esempio, vengono utilizzati per studiare lo sviluppo, i meccanismi di malattia, le interazioni ospite-patogeno, la risposta ai farmaci e le strategie di medicina rigenerativa. La loro capacità di preservare caratteristiche chiave dell’architettura tissutale li rende particolarmente preziosi quando è necessario un modello che rifletta più fedelmente la biologia a livello d’organo.
La maggiore rilevanza biologica degli organoidi è generalmente accompagnata da requisiti di coltura più complessi. La generazione di organoidi dipende spesso da fattori di crescita definiti, supporti di matrice extracellulare, formulazioni precise del terreno di coltura e tempi di coltura più lunghi. Di conseguenza, la scelta tra sferoidi e organoidi dipende dall’obiettivo sperimentale: gli sferoidi sono spesso preferiti per test robusti e scalabili, mentre gli organoidi sono selezionati quando sono essenziali specificità tissutale, auto-organizzazione e complessità funzionale.
Requisiti di coltura cellulare per sferoidi e organoidi
Sia le colture di sferoidi sia quelle di organoidi richiedono condizioni che supportino la crescita tridimensionale piuttosto che la diffusione delle cellule su una superficie piana. Ciò può comportare l’uso di supporti di coltura a bassa adesione, matrici extracellulari definite, idrogel, terreni specifici e fattori di crescita che guidano l’aggregazione, la sopravvivenza, la differenziazione o la maturazione simile ai tessuti.
La formazione degli sferoidi si basa comunemente sull’impedire alle cellule di aderire alla superficie del contenitore, favorendo così l’aggregazione cellula-cellula. In questo contesto, la qualità e la consistenza della superficie di coltura sono fondamentali, poiché un’adesione non controllata può causare aggregati irregolari, dimensioni variabili degli sferoidi e una ridotta riproducibilità. La coltura di organoidi, invece, spesso parte da cellule staminali o progenitrici che richiedono stimoli biochimici e meccanici per auto-organizzarsi in strutture più elaborate, frequentemente con il supporto di matrici come Matrigel o altri sistemi scaffold.
Questi modelli 3D stanno trasformando la ricerca in biologia, farmacologia e medicina poiché possono fornire informazioni più fisiologicamente rilevanti rispetto alle colture 2D tradizionali. Contribuiscono a colmare il divario tra sistemi in vitro semplificati e la complessità dei tessuti viventi, supportando studi più predittivi sulla progressione delle malattie, l’efficacia terapeutica, la tossicità dei composti e gli approcci di medicina personalizzata.
Come GVS supporta questa nuova frontiera della coltura cellulare 3D
Per i workflow basati su sferoidi e organoidi, le prestazioni della superficie dei supporti di coltura sono un fattore determinante. La superficie Ultra-Low Adsorption di GVS è progettata per supportare applicazioni di coltura cellulare 3D minimizzando l’adsorbimento proteico e l’adesione cellulare alla superficie. Questo consente di mantenere le cellule in sospensione e favorisce le interazioni cellula-cellula, essenziali per la formazione di sferoidi coerenti e altri aggregati tridimensionali.
La superficie viene preparata attraverso un trattamento in gel specializzato che garantisce elevate proprietà di anti-adsorbimento proteico e anti-adesione cellulare. Riducendo l’adesione indesiderata, supporta una coltura di sferoidi rapida, consistente e riproducibile, comprese applicazioni come modelli tumorali 3D e workflow correlati agli organoidi. Questo è particolarmente importante in contesti sperimentali in cui uniformità, scalabilità e ripetibilità sono fondamentali per un’analisi affidabile a valle.
Combinando prestazioni a bassa adesione con formati adatti alla coltura cellulare avanzata, GVS offre ai ricercatori una piattaforma pratica per sviluppare modelli 3D più rappresentativi. Poiché sferoidi e organoidi continuano ad espandere il loro ruolo nella ricerca biomedica, superfici di coltura affidabili resteranno essenziali per migliorare la riproducibilità sperimentale e tradurre i risultati in vitro in insight biologici più significativi.
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Sources
O. Chepizhko, J. Armengol-Collado, S. Alexander, E. Wagena, B. Weigelin, L. Giomi, P. Friedl, S. Zapperi, & C.A.M. La Porta, Confined cell migration along extracellular matrix space in vivo, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (1) e2414009121, https://doi.org/10.1073/pnas.2414009121 (2025)
