Sel-sel dan jaringan dalam tubuh kita tumbuh, berkembang dan berinteraksi dalam, dunia tiga-dimensi  yang sangat kompleks. Demikian pula, berbagai mikroba patogen yang menyerang tubuh kita dan menyebabkan penyakit menular berinteraksi dengan lingkungan jaringan kompleks 3-D. Namun, metode kultur dan mempelajari sel manusia secara tradisional telah dilakukan dalam dua dimensi pada permukaan kedap datar. Sementara kultur 2-D tersebut dan upaya pemodelan telah menghasilkan aliran kritis wawasan ke dalam perilaku sel dan mekanisme infeksi dan penyakit, budaya sel 2-D memiliki keterbatasan utama dalam hal akurat mereproduksi lingkungan jaringan secara in vivo, yaitu, lingkungan ditemukan dalam organisme hidup.

Dalam edisi terbaru jurnal Nature Reviews Microbiology, peneliti Cheryl Nickerson dan timnya di Institut Biodesign di Arizona State University sorot sebuah pendekatan inovatif untuk mempelajari sel dalam 3-D. They are examining the potential of such research to greatly expand science's understanding of disease onset and progression, particularly the responses of host cells to infectious pathogens. Mereka memeriksa potensi penelitian tersebut untuk memperluas pemahaman ilmu tentang timbulnya penyakit dan perkembangan, khususnya respon sel inang untuk patogen infeksius. pekerjaan tersebut memberikan wawasan segar ke dalam mekanisme penyakit menular dan memiliki potensi untuk desain terapi baru atau yang ditingkatkan, skrining obat yang lebih akurat dan evaluasi peningkatan calon vaksin yang potensial.

Meskipun terjadi kemajuan besar dalam memahami bagaimana patogen infeksius berhasil menghindari sistem kekebalan tubuh dan menyebabkan penyakit, dan perlakuan yang berhasil atau pemberantasan beberapa penyakit mematikan; penyakit menular tetap menjadi kesehatan besar dan beban ekonomi, terutama di negara berkembang. Mereka terus menyebabkan sekitar 35 persen dari semua kematian di seluruh dunia, menewaskan sekitar 14-17.000.000 orang setiap tahunnya. Many of these deaths could be prevented through the development of in vitro models of human cells and tissues that better mimic in vivo environments. Banyak dari kematian ini dapat dicegah melalui pengembangan dalam model in vitro sel manusia dan jaringan yang lebih baik meniru di lingkungan vivo.

Sebelum adanya metode kultur 3-D, sel-sel manusia yang digunakan untuk penelitian adalah biasanya tumbuh pada permukaan datar (sering terdiri dari polystyrene diobati atau kaca), mengakibatkan pertumbuhan sel lembar 2-D yang dikenal sebagai monolayers. Namun, mengisolasi sel-sel dari arsitektur mereka 3-D dan mikro asli datang pada harga. Sebagai Jennifer Barrila, salah satu penulis utama review ini menjelaskan, "kita tahu bahwa jika Anda mengambil biopsi dari tisu, menghomogenkan dan piring itu pada permukaan yang datar dan mengikuti perkembangannya, itu akan segera de-membedakan dan mulai kehilangan banyak fitur dan fungsi yang biasanya telah di tubuh, karena tidak lagi dalam bentuk 3-D yang khas."

Sejumlah teknik inovatif sekarang ada untuk membangun model kultur sel 3-D yang lebih mampu meniru dalam karakteristik vivo sel dan jaringan dalam tubuh. Review saat ini memfokuskan pada penggunaan satu teknologi yang menjanjikan seperti yang pada awalnya dikembangkan oleh para insinyur NASA untuk mensimulasikan aspek lingkungan gayaberat mikro yang dihadapi oleh sel dikultur selama spaceflight.

Teknologi ini, dikenal sebagai bioreaktor dinding kapal berputar atau RWV, adalah aparat, silinder berputar, diisi dengan media budaya memasok nutrisi penting ke sel. Sedimentasi alami sel karena gravitasi diimbangi oleh rotasi bioreaktor itu, mengakibatkan jatuh lembut sel dalam media dalam chamber. Selama budaya, sel yang melekat pada manik-manik microcarrier berpori (atau perancah lainnya) yang memungkinkan untuk respon selular untuk gradien kimia dan molekul dalam tiga dimensi secara erat meniru kondisi yang dihadapi oleh jaringan in vivo. Dengan kondisi tersebut, sel-sel akan agregat untuk membentuk struktur jaringan seperti 3-D.

Budaya sel lingkungan dalam bioreaktor RWV juga dirancang untuk mereplikasi alam, kondisi fisiologis yang relevan dari geser fluida rendah yang ditemukan dalam tubuh. Cairan geser adalah kekuatan mekanik yang diberikan oleh pergerakan cairan pada permukaan sel dan telah ditemukan untuk memainkan peran penting dalam selular, pengembangan diferensiasi dan fungsi. Menariknya, penelitian eksperimental dilakukan oleh Nickerson dan timnya telah terlibat lingkungan geser rendah cairan dalam mengatur potensi patogen penyakit menular dari manusia tertentu. Secara khusus, kondisi yang dihadapi oleh patogen di daerah-daerah tertentu saluran pencernaan, pernapasan dan urogenital merupakan lingkungan geser rendah cairan yang memiliki potensi untuk mengubah hasil dari proses penyakit menular.

Selama satu dekade terakhir, kelompok Nickerson dan rekan telah menerbitkan model mereka 3-D dari usus kecil dan besar, paru-paru, plasenta, jaringan neuronal dan epitel vagina. Model tersebut menawarkan wawasan baru yang menarik ke dalam proliferasi sel, diferensiasi dan fungsi kekebalan tubuh, dan menyediakan sebuah platform untuk memahami homeostasis jaringan normal dan transisi terhadap penyakit. Selanjutnya, model-model 3-D juga telah meluncurkan cara-cara baru yang patogen menyebabkan penyakit dan telah memperluas kisaran patogen yang dapat dipelajari secara in vitro. Penting untuk baris ini penelitian, model 3-D merespons infeksi dengan cara-cara penting yang menyerupai inang terinfeksi.

Studi ini termasuk infeksi jaringan usus 3-D oleh patogen bakteri dan virus yang bertalian dengan makanan termasuk Salmonella typhimurium dan norovirus, masing-masing, dan infeksi jaringan paru 3-D oleh bakteri Pseudomonas aeruginosa patogen. Nickerson menekankan bahwa model jaringan 3-D telah membuka pintu untuk memeriksa berbagai interaksi inang-patogen yang sebelumnya sulit atau tidak mungkin untuk belajar melalui cara-cara konvensional.

Nickerson juga melihat masa depan yang menjanjikan untuk kultur sel 3-D dalam memfasilitasi terjemahan ilmu pengetahuan dasar untuk pengaturan klinis. Dia menekankan bahwa pengembangan dan penggunaan dari serangkaian semakin kompleks sistem model 3-D yang menggabungkan beberapa jenis sel akan memungkinkan mempelajari berbagai penyakit manusia, termasuk yang disebabkan oleh infeksi dan kelainan genetik seperti kanker. Selain itu, penggabungan dari model ini sebagai pengganti jaringan manusia pada tahap awal proses desain obat yang berpotensi dapat membantu dalam mengurangi jumlah kandidat obat yang tidak memadai yang masuk ke dalam uji klinis dengan menyediakan dalam model in vitro yang lebih prediktif dari dalam tanggapan vivo , sehingga mengurangi waktu dan biaya mendapatkan terapi untuk pasar.

Selain itu, penggabungan dari model ini sebagai pengganti jaringan manusia pada tahap awal proses desain obat yang berpotensi dapat membantu dalam mengurangi jumlah kandidat obat yang tidak memadai yang masuk ke dalam uji klinis dengan menyediakan dalam model in vitro yang lebih prediktif dari dalam tanggapan vivo , sehingga mengurangi waktu dan biaya mendapatkan terapi untuk pasar.

Selain posisinya di Institut Biodesign Center for Infectious Diseases dan Vaccinology, Cheryl Nickerson adalah profesor ilmu-ilmu hayati di Arizona State University School of Life Sciences.

Editor's Catatan: Artikel ini tidak dimaksudkan untuk memberikan nasihat medis, diagnosis atau perawatan.

Cerita Sumber:

Cerita di atas dicetak (dengan adaptasi editorial oleh staf harian Ilmu Pengetahuan) dari bahan-bahan yang disediakan oleh Arizona State University , melalui EurekAlert! , sebuah layanan AAAS. Artikel asli ditulis oleh Richard Harth, Biodesign Institute di ASU Ilmu Writer.

Referensi jurnal:

1. Jennifer Barrila, Andrea L. Radtke, Aurélie Crabbé, Shameema F. Sarker, Melissa M. Herbst-Kralovetz, C. Mark Ott, Cheryl A. Nickerson. Organotypic 3D cell culture models: using the rotating wall vessel to study host–pathogen interactions . Nature Reviews Microbiology , 2010; 8 (11): 791 DOI: 10.1038/nrmicro2423