A cultura celular 3D é um exemplo de como os avanços tecnológicos vêm transformando a maneira de fazer análises laboratoriais.

Quando pensamos no trabalho feito em laboratório, a imagem mais comum a vir à mente é a de pessoas analisando compostos em superfícies planas.

No entanto, a cultura de células 3D oferece uma abordagem diferente. Ela usa estruturas mais sofisticadas em busca de simular com maior fidelidade o ambiente em que essas células se desenvolvem.

Isso facilita a compreensão do comportamento das células e representa uma grande evolução, especialmente para os estudos de câncer e doenças crônicas.

A seguir, vamos conhecer mais sobre essa técnica e entender quais são as diferenças entre ela e a cultura de células 2D. Também vamos ver como ela se aplica aos estudos de enfermidades crônicas e saber quais são as tendências para o futuro dessa abordagem.

O que é cultura celular 3D

A cultura celular 3D é uma técnica que permite acompanhar a evolução de células em um ambiente tridimensional artificial (in vitro) semelhante ao ambiente natural dos organismos (in vivo). Ela representa um avanço em relação à cultura 2D — também chamada de cultivo em monocamada.

Embora os primeiros experimentos em cultura celular 3D remontem ao final do século 19, foi apenas a partir dos anos 1970 e 1980 que pesquisadores começaram a explorar mais intensamente essa abordagem e a desenvolver meios de cultura mais sofisticados para o cultivo de células.

Nas últimas duas décadas, a adoção mais ampla dessa abordagem foi impulsionada por novas tecnologias como a bioimpressão, o aprimoramento contínuo dos materiais e equipamentos usados em laboratório e a própria necessidade de construir modelos com maior capacidade de análise preditiva.

Em paralelo, a compreensão mais profunda da biologia celular e dos processos de regeneração tecidual também tiveram (e continuarão a ter) contribuição decisiva para a adoção do método.

Qual é a diferença entre a cultura celular 2D e a 3D?

A principal diferença em relação à cultura 2D é que no método bidimensional, as células são analisadas em placas, frascos e tubos de diversos tipos de plástico usados em laboratório.

Já no método 3D, as células são embebidas em hidrogel, uma estrutura composta por polímeros e, majoritariamente, água. Essa estrutura também pode conter proteínas de matriz extracelular (MEC) de origem animal ou formulações sintéticas de origem não animal.

O hidrogel facilita a interação mais realista entre as células, o que permite observar, por exemplo, a produção de proteínas, a expressão de genes e a atividade metabólica com maior fidelidade. Isso contribui para resultados mais precisos e relevantes para a pesquisa biomédica.

No entanto, a adoção da técnica 3D tem custo maior em razão de requerer:

• Equipamentos específicos, como biorreatores, sistemas de bioimpressão 3D e incubadoras com recursos adicionais para controle de temperatura, umidade e fluxo de gás.
  
  
  
• Biomateriais ou estruturas sintéticas (Scaffolds) compatíveis para dar suporte ao crescimento celular.
  
  
  
• Mão de obra treinada para operar equipamentos complexos e realizar manipulações celulares específicas.
  
  
  
• Consumíveis específicos, como meios de cultura e reagentes para a manutenção das culturas.
  

A importância da cultura 3D na pesquisa de doenças crônicas

A cultura 3D desempenha um papel fundamental na compreensão de como as células evoluem e de como reagem a diferentes tipos de intervenção. Sua disseminação é essencial em:

• Pesquisa básica e biologia celular: os laboratórios empregam esse método para estudar aspectos como diferenciação celular, interações célula-célula e resposta a estímulos ambientais.
  
  
  
• Modelagem de doenças: a cultura celular 3D é frequentemente utilizada para simular doenças complexas, como câncer, doenças cardíacas, doenças neurodegenerativas e distúrbios metabólicos, permitindo uma compreensão mais abrangente dos mecanismos subjacentes e o desenvolvimento de terapias mais eficazes.
  
  
  
• Testes de toxicidade e segurança de medicamentos: laboratórios farmacêuticos e de biotecnologia empregam culturas celulares 3D para avaliar novos compostos e medicamentos em um ambiente mais relevante fisiologicamente, reduzindo a dependência de testes em animais e melhorando a predição da segurança de medicamentos em humanos.
  
  
  
• Medicina regenerativa e engenharia de tecidos: a técnica 3D permite a criação de modelos mais sofisticados de tecidos e órgãos e, assim, abre caminho para estudos sobre órgãos artificiais, transplantes e terapias celulares.
  
  
  
• Diagnóstico e tratamento personalizados: em campos como a oncologia, a cultura celular 3D é usada para testar a eficácia de diferentes tratamentos e para desenvolver estratégias de terapia com base nas características específicas do tumor de um paciente.
  

Avanços na compreensão de doenças crônicas

A cultura celular em ambiente tridimensional já vem proporcionando avanços significativos na investigação e no tratamento de doenças. Veja alguns exemplos a seguir.

Câncer

Modelos de células cancerígenas cultivadas em ambiente 3D permitem fazer análises preditivas mais precisas sobre a evolução de tumores e entender como essas células reagiriam a diferentes terapias.

Doenças cardíacas

O uso de células-tronco cultivadas em ambiente 3D tem possibilitado a modelagem de doenças como a cardiomiopatia e a insuficiência cardíaca. As culturas podem ser usadas para estudar a fisiopatologia das doenças e desenvolver estratégias de regeneração cardíaca.

Doenças neurodegenerativas

Doenças neurodegenerativas, como o Alzheimer e o Parkinson, ganharam novas frentes de investigação a partir do cultivo tridimensional de células. Os modelos permitem investigar a degeneração das células nervosas, identificar biomarcadores e testar terapias potenciais.

Doenças hepáticas

Culturas 3D de hepatócitos têm sido empregadas para estudar a esteatose hepática (acúmulo de gordura no fígado) e a cirrose. Os modelos permitem a análise dos efeitos de toxinas, medicamentos e fatores ambientais na função hepática, além de fornecer insights sobre a progressão da doença.

Doenças pulmonares

A cultura de células pulmonares em ambiente 3D tem sido utilizada para estudar a fibrose cística e a doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC). Esses modelos ajudam a elucidar os mecanismos das doenças e desenvolver estratégias de terapia.

O potencial da cultura celular 3D na medicina

Uma das principais promessas da cultura celular 3D é o desenvolvimento de tratamentos mais eficazes e personalizados, especialmente no campo das doenças crônicas. No entanto, existem desafios como:

• Padronização e reprodutibilidade: pequenas variações nas condições de cultivo tridimensional podem afetar significativamente o comportamento celular e os resultados experimentais, tornando essencial o desenvolvimento de diretrizes e métodos padronizados.
  
  
  
• Limitações de escala e automatização: o método tem limitações, especialmente quando se trata de produção em massa ou estudos de alto rendimento (high throughput). A automação de processos também é mais desafiadora em função da complexidade dos sistemas e das necessidades específicas de manipulação.
  
  
  
• Regulamentação: as regras e a padronização dos produtos e processos relacionados à cultura celular 3D ainda estão em desenvolvimento. Estabelecer padrões de qualidade, segurança e eficácia é fundamental para garantir a aceitação e a adoção clínica e comercial dessas tecnologias.
  

Esses desafios representam também oportunidades de inovação. E o uso combinado da cultura celular 3D com outras técnicas laboratoriais ajuda nesse processo.

Um exemplo é a criopreservação. Essa técnica, usada para armazenar células-tronco, organoides e outras estruturas para aproveitamento futuro, permite que os pesquisadores mantenham estoques para uso, reduzindo a necessidade de começar do zero um novo cultivo de células a cada experimento.

Outros aliados são os biorreatores. Quando adaptados para o ambiente 3D, esses sistemas permitem o crescimento de células e tecidos em larga escala com maior controle sobre as condições de cultivo. A integração com sistemas de automação possibilita ainda a padronização e o escalonamento de experimentos.

Por fim, a terapia genética é outro grande campo de inovação em potencial. A cultura de células em ambientes tridimensionais ajuda no teste dessas terapias e na previsão de sua eficácia, tornando o tratamento mais seguro.

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