3D 세포 배양 소개
3D 세포 배양은 기초 연구부터 신약 개발까지 다양한 분야에서 점점 더 활발하게 활용되고 있습니다. 이 가이드에서는 3D 세포 배양이란 무엇인지, 연구에서 어떻게 적용되는지, 그리고 3D 모델에 적합한 분석법(assay) 선택 법을 소개합니다.
3D 배양 및 분석에 대한 개요를 확인하고 싶다면, 3D Assay 페이지에서 최적화된 assay 리스트와 제품 정보를 확인하세요.
3D 세포 배양이란?
3D 세포 배양은 세포가 3차원 환경에서 성장하며 주변 세포외기질(extracellular matrix; ECM)과 상호작용할 수 있도록 하는 배양 방식입니다. 기존의 평면에서 세포를 배양하는 2D 배양, 단층(monolayer)과 달리, 생체 환경과 더욱 유사한 조건을 제공합니다. 3D 세포 배양 방식은 크게 scaffold 기반 배양과 Scaffold-free 배양으로 나뉩니다.
Scaffold 기반 3D 세포 배양
Scaffold 기반 3D 배양은 세포가 3차원 구조에서 성장할 수 있도록 지지체(Scaffold)를 활용하는 방법입니다.
주요 Scaffold 유형:
하이드로젤(Hydrogel): crosslinked polymer 네트워크로 이루어져 있으며, 수분을 흡수하고 유지할 수 있는 고분자 물질입니다. 동물 유래(Matrigel®, collagen), 식물 유래(alginate/agarose), 또는 화학적으로 합성(QGel® Matrix)된 형태가 있습니다.
비활성 기질(Inert Matrices) 다공성 구조를 가진 폴리스타이렌(polystyrene) 기반, 스펀지 형태의 membrane으로, 세포가 증식하고 성장할 수 있도록 돕습니다.
Scaffold-free 3D 세포 배양
Scaffold 없이 세포를 배양하는 방법으로, 세포의 자체 결합(self-assembly) 특성을 활용하여 cluster 또는 스페로이드(Spheroid)를 형성하는 방식입니다.
주요 Scaffold-free 3D 배양 방법:
Low-adhesion plates: plate 표면을 친수성 polymer로 코팅하여 세포 부착을 방지하여 세포가 서로 cluster를 형성하며, 자체 세포외기질을 형성할 수 있도록 합니다.
Micropatterned surfaces: 미세 패턴(micropattern) 또는 multi-well 구조를 이용하여 세포가 플라스틱 표면에서 cluster 형태로 성장하도록 유도합니다.
Hanging drop: 배양액 방울 속의 세포가 중력에 의해 응집되며, 방울 하단에서 스페로이드를 형성하도록 하는 방식입니다.
오가노이드(Organoid)
3D 세포 배양 분야에서의 중요한 발전 중 하나는 성체 줄기세포 또는 유도 만능 줄기세포(iPSCs)로부터 오가노이드를 형성하는 것입니다.
이러한 세포를 사용하면, 세포가 분화하고 스스로 결합하여 특정 조직 또는 장기의 세포 이질성(heterogeneity)과 같은 실제 환경을 모방하는 오가노이드를 형성할 수 있습니다.
Microfluidic Organ-on-a-Chip 모델
Organ-on-a-chip은 microfluidic 기술을 활용하여 장기의 생리학적 특성을 모방하는 3D 세포 배양 시스템입니다. 세포는 마이크로칩의 chamber 내에서 성장하며, 미세 채널에 흐르는 극소량(μl ~ pl)의 액체를 통해 영양소와 화학 물질이 세포 전체에 공급됩니다.
3D 세포생물학 웨비나 시리즈
이 웨비나 시리즈에서는 3D 세포 배양법을 선택하고 세팅하는 방법, 3D 배양에서 사용할 세포 기반 분석법을 선정하는 방법, 그리고 3D 배양을 활용한 high-throughput 신약 개발 방법에 대해 배울 수 있습니다.
Infographic: Spheroid vs Organoid
Infographic을 통해 스페로이드(spheroids)와 오가노이드(organoids)의 차이점을 한눈에 확인하세요.
왜 3D 세포 배양을 사용할까요?
오랫동안 과학자들은 2D 단층 세포 배양을 이용하여 세포 및 질병 기전을 연구해 왔습니다. 2D 세포 배양 모델은 배양과 공정이 간단하고 비용 효율성이 높아 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 지난 10년 동안, 생체 내(in vivo) 조직을 더 잘 모방할 수 있고 생리학적 유사성이 높다는 이유로 3D 세포 배양 모델이 최근 더 많은 주목을 받고 있습니다.
생각해 보면, 우리 몸의 세포는 단층 형태로 다른 세포나 조직과 독립적으로 성장하지 않습니다. 대부분의 세포는 세포외기질 내에서 다양한 세포 유형과 함께 복잡한 3D 구조를 이루며 존재합니다. 이러한 세포-세포 및 세포-기질 간의 상호작용은 세포 기능에 큰 영향을 미칩니다. 또한, 2D 단층 세포는 영양분과 산소를 균일하게 공급받지만, 종양과 같은 세포 덩어리(cell masses)에서는 그렇지 않습니다. 3D tumor 스페로이드는 생체 내 종양의 특징을 잘 반영하는 모델로, 종양 내부 세포는 외부 세포층보다 영양소와 산소 공급이 제한되며, 자연적인 농도 gradient를 형성합니다.
3D 세포 배양을 사용하는 이유
- 조직과 유사한 구조를 보다 정확하게 모방할 수 있음
- 분화된 세포의 기능을 발현할 수 있음
- 두 가지 이상의 서로 다른 세포 유형을 co-culture 할 수 있음
- 저산소(hypoxia) 및 영양소 농도 gradient와 같은 미세환경을 재현할 수 있음
- 생체 내(in vivo) 약물 반응을 보다 정확하게 예측할 수 있음
특집 스토리: 3D 모델의 가능성과 과제
"모델을 만드는 과정에서 우리가 항상 하는 일은 그것을 실제와 더 가깝게 만드는 것입니다. 3D 모델이 한 단계 발전한 방식이라는 것은 모두가 인정하는 사실이죠."
이 특집 기사에서는 3D 세포 배양의 장점과 과제에 대해 알아볼 수 있습니다.
3D 세포 배양의 응용 분야
3D 세포 모델은 질병 메커니즘 연구 및 신약 개발에 점점 더 많이 활용되고 있습니다. 환자로부터 유래한 암 오가노이드와 같은 3D 배양 모델은 small molecule drug 스크리닝을 하거나 유전자 변형을 통한 질병 경로 분석에도 사용할 수 있습니다. 2D 배양에 비해 3D 세포 배양 모델은 약물 효능(efficacy) 및 독성(toxicity)을 보다 더 정확하게 평가할 수 있습니다.
3D 배양에서 생물학적 변화 모니터링
3D 배양 모델로 연구할 때, 올바른 분석 시스템을 선택하는 것이 중요합니다. 3D 배양에서 생물학적 변화를 모니터링할 수 있는 다양한 tool과 기술에 대해 알아볼 수 있습니다.
3D 배양이 신약 개발에 활용되는 방법
비디오
"저는 나노 물질 평가를 위한 3D 간(liver) 모델 개발하는 것을 연구하고 있습니다... 우리는 동물 실험을 줄이거나 대체할 수 있는 다양한 모델을 구축하는 것을 목표로 하고 있습니다."
"우리는 오가노이드를 활용한 스크리닝 시스템을 개발하고 있습니다. 오가노이드는 차세대 3D 모델로서, 임상에서 더 나은 예측 결과를 제공할 수 있다고 믿습니다."
블로그 article
Evaluating Immunotherapy in Organoids
Read this blog about how patient-derived colorectal organoids can be used to evaluate CAR NK immunotherapy.
Producing Snake Venom with 3D Organoids
Learn how organoids cultured from snake venom glands can be used to develop antivenom.
High-Throughput Drug Screening
Read this blog on how a 3D spheroid-based screening assay is used to find drugs against difficult target proteins.
3D 세포 배양 분석법
3D 배양을 활용할 때 큰 어려움 중 하나는 세포 유형에 적합한 분석법(assay)을 찾는 것입니다. 기존의 세포 기반 분석법은 대부분 2D 단층 배양이나 부유 세포(suspension cell)를 대상으로 개발되었기 때문에 3D 구조의 크기와 밀도를 충분히 고려하지 않는 경우가 많습니다. 이로 인해 세포 용해(cell lysis)가 제한되거나, 분석 반응이 3D 구조의 세포량을 감당하지 못하는 문제가 발생할 수 있습니다. 또한, 세포외기질 코팅은 시약이 스페로이드 중심으로 침투하는 것을 방해할 수 있습니다. 그렇기 때문에, 특정 3D 모델 시스템에 적합한 세포 기반 분석을 최적화하고 검증하는 것이 중요합니다. 3D 분석법 최적화를 위해서는 아래의 사항들을 고려하실 수 있습니다.
- 시약과 샘플의 혼합(shaking) 시간 연장
- 세포 용해 및 검출 시약의 반응 시간 조정
- 3D 모델에서 검증된 분석법 활용
App Note: Predicting Gastrointestinal Toxicity
Learn more about predicting gastrointestinal toxicity using adult stem cell-derived OrganoReady Colon Organoid with functional multiplexed assays.
Data: 3D Cell Viability Assays
See how CellTiter-Glo® 3D Assay compares to other viability assays.
Article: Verifying Cell-Based Assays for Use with 3D Models
Assays originally intended for use with monolayer cell cultures need to be adapted to more complex 3D systems.
Story: Determining Cytotoxicity in 3D Liver Spheroids
Learn how the LDH-Glo™ Assay can help predict drug-induced liver injury in 3D microtissues.
Poster: Cell Viability and Cytotoxicity Assays for Tumor Organoids Evaluation
Learn how a variety of bioluminescent and fluorescent assays use different metabolic parameters to assess the viability of tumor organoids.
Webinar: Designing 3D Assays
Learn about factors to consider when designing and optimizing assays for 3D cultures.
Webinar: Method Validation and 3D Islet Models for Diabetes Research
Learn more about islet microtissues and their benefits for diabetes research.
Webinar: 3D Cell Culture and Assays Q&A
Our experts answer common questions on evaluating 3D assays for use with 3D cultures.
Application Note: Automated Preclinical Drug Testing
Learn about automated tumor spheroid generation and preclinical drug testing on the epMotion® 5073t platform.