3D-Zellkultur: Sphäroide und Organoide bilden, kultivieren und auswerten
Sphäroide bilden, Organoide langfristig kultivieren, auswerten und isolieren: Werkzeuge und Beratung für die 3D-Zellkultur aus einer Hand.
Warum 3D-Zellkultur? Wo 2D-Modelle an Grenzen stoßen
Zellen, die als flache Einzelschicht auf Kunststoff wachsen, fehlt, was echtes Gewebe ausmacht: eine dreidimensionale Architektur, Kontakte zu Nachbarzellen und zur extrazellulären Matrix sowie Gradienten von Nährstoffen und Sauerstoff. Deshalb sagen 2D-Modelle die Wirksamkeit und Toxizität von Wirkstoffen oft schlecht voraus.
In der 3D-Zellkultur wachsen Zellen als Sphäroide, Organoide oder Gewebestücke. Diese Modelle bilden Zell-Zell- und Zell-Matrix-Kontakte, Sauerstoffgradienten mit hypoxischem Kern, das Eindringen von Wirkstoffen und Resistenzen sowie die Bildung extrazellulärer Matrix nach. Das macht sie aussagekräftiger für Tumorbiologie, Toxikologie, Virologie und regenerative Medizin.
3D-Kultur ist allerdings anspruchsvoller. Typische Herausforderungen sind:
- heterogene Zellpopulationen bei der Differenzierung pluripotenter Stammzellen,
- Verlust von Struktur und Stoffwechselaktivität von Organoiden in der Langzeitkultur,
- zeitaufwendige Handarbeit wie Mediumwechsel,
- hohe Kosten für Verbrauchsmaterial und Substrate.
Die Werkzeuge unten setzen genau hier an – von der gleichmäßigen Sphäroidbildung über die Langzeitkultur bis zur Auswertung in Echtzeit und zur Isolierung einzelner Organoide.
Sphäroid, Organoid oder Gewebe: Welches 3D-Modell brauchen Sie?
Sphäroide
Kompakte Aggregate aus Zelllinien oder Primärzellen – einfach herzustellen und gut geeignet für Tumorbiologie, Wirkstoff- und Toxizitätstests sowie Virologie. Beispiele aus Forschungslaboren: HepG2-Sphäroide über mehr als 80 Tage im CERO 3D, Myosphären aus Primärzellen vom Schwein und Darmtumor-Sphäroide für Nanopartikeltests.
Organoide
Selbstorganisierte Mini-Organe aus Primärgewebe, embryonalen Stammzellen oder iPSC, die wesentliche Merkmale von Aufbau und Funktion eines Organs nachbilden. Beispiele: Magen-Organoide (Technische Universität München), Nieren-Organoide (Nephrolab Köln), zerebrale Organoide und Gliom-Assembloide (Sevenich-Labor) sowie hämatopoetische Organoide für CAR-Makrophagen.
Stammzellen und Gewebe
Induzierte pluripotente Stammzellen als 3D-Aggregate oder auf Mikrocarriern vermehren, zu schlagenden Cardiac Bodies und anderen Gewebemodellen differenzieren oder Gewebebiopsien langfristig kultivieren.
Mit oder ohne Gerüst: Methoden der 3D-Zellkultur
Gerüstfrei
Die Zellen aggregieren von selbst, ohne Einbettsubstrat. Übliche Formate sind Ultra-Low-Attachment-Platten, hängende Tropfen und die dynamische Suspensionskultur im Bioreaktor. Gerüstfreie Methoden liefern dichte Aggregate und sind einfach zu handhaben.
Von OLS: Sphäroid-Platten (CEROplate ULA) und der 3D-Zellkultur-Bioreaktor CERO 3D.
Gerüstbasiert
Die Zellen wachsen in oder auf einer Matrix – etwa in Hydrogelen wie Kollagen oder Basalmembran-Extrakten oder auf Mikrocarriern. Das Gerüst gibt Kontrolle über Steifigkeit und Umgebung, bringt aber ein zusätzliches Substrat in den Ablauf.
Von OLS: Alginat-Mikrocarrier mit einstellbarer Steifigkeit (2–8 kPa) und Größe (100–500 µm).
Ihr 3D-Ablauf: bilden, kultivieren, vermehren, auswerten, isolieren
Vom ersten Sphäroid bis zum isolierten Organoid – für jeden Schritt das passende Werkzeug und Beratung aus einem Team.
Bilden: CEROplate ULA-Platten
Gleichmäßige Sphäroide in 2 bis 24 Stunden, je nach Zelltyp. 96- und 384-Well-Platten mit U-Boden tragen ein Sphäroid pro Well, 6- und 24-Well-Platten haben einen Flachboden. Steril, endotoxinfrei und nicht zytotoxisch – Bildung und Auswertung laufen in derselben Platte.
Kultivieren: CERO 3D Incubator & Bioreactor
Gerüstfreie Kultur mit scherkraftarmer, bidirektionaler Rotation in vier einzeln geregelten CEROtubes. CO₂, Temperatur und pH werden automatisch geregelt – für Kulturen über Tage bis Monate.
Vermehren: Alginat-Mikrocarrier
Weiche Alginat-Mikrocarrier für die Vermehrung von hiPSC im CERO 3D: über 85 % Viabilität und mehr als 6 × 10⁶ Zellen nach vier Tagen.
Auswerten: xCELLigence RTCA eSight
Wachstum von Tumorsphäroiden und ihre Abtötung durch Immunzellen in Echtzeit verfolgen – etwa mit Bildern alle 4 Stunden über 10 Tage.
Isolieren: CellRaft AIR System
Hunderte Organoide auf einem Array kultivieren, als Z-Stapel im Hellfeld und in Fluoreszenz abbilden und intakte Organoide automatisch aus der Matrix in 96-Well-Platten überführen – für nachfolgende Assays.
Versorgen: Zellkulturmedien, Seren und Zusätze von PAN-Biotech, darunter Stammzellmedien und serumfreie Medien.
ULA-Platte oder Bioreaktor? So entscheiden Sie
Eine ULA-Platte (CEROplate) passt, wenn Sie …
- ein Sphäroid pro Well brauchen,
- viele Bedingungen parallel testen, etwa beim Screening im 96- oder 384-Well-Format,
- Sphäroide in derselben Platte bilden und auswerten wollen.
Ein Bioreaktor (CERO 3D) passt, wenn Sie …
- große Mengen brauchen – im Sevenich-Labor mehr als 200 zerebrale Organoide je CEROtube,
- Kulturen lange stabil halten müssen – über 80 Tage bei HepG2-Sphäroiden, über fünf Monate bei zerebralen Organoiden,
- Stammzellen im selben Gefäß vermehren und differenzieren wollen.
Im direkten Vergleich mit 96-Well-ULA-Platten erreichten Gliom-Assembloide aus dem CERO 3D eine verbundene Oberfläche von über 50 % statt unter 10 % und zeigten weniger Apoptose. Zum Bericht des Sevenich-Labors.
Bei Nieren-Organoiden erlaubt das CERO 3D die direkte Inokulation; ein eigener Aggregationsschritt in ULA-Platten entfällt.
Nicht sicher, welcher Ansatz zu Ihren Zellen passt? Fragen Sie unsere Fachleute.
Bewährt in Forschungslaboren
Mehr Ergebnisse: veröffentlichte Studien mit CERO 3D.
Häufige Fragen zur 3D-Zellkultur
In der 3D-Zellkultur wachsen Zellen in alle drei Raumrichtungen – als Sphäroide, Organoide oder Gewebestücke – statt als flache Einzelschicht auf Kunststoff. So entstehen wieder Zell-Zell- und Zell-Matrix-Kontakte, Nährstoff- und Sauerstoffgradienten und eine gewebeähnliche Architektur; die Zellen verhalten sich dadurch ähnlicher wie im Körper.
2D-Kultur ist einfach, günstig und leicht zu mikroskopieren. Auf einer flachen Oberfläche fehlen den Zellen aber Architektur, Matrixkontakte und Gradienten echten Gewebes – deshalb sagen 2D-Modelle Wirksamkeit und Toxizität von Wirkstoffen nur begrenzt voraus. 3D-Modelle schließen diese Lücke, verlangen dafür aber mehr Aufwand bei Handhabung, Kultur und Auswertung.
Sphäroide sind kompakte Zellaggregate, meist aus Zelllinien oder Primärzellen, und werden vor allem für Tumor-, Wirkstoff- und Toxizitätsstudien genutzt. Organoide sind selbstorganisierte, verkleinerte Organmodelle aus Primärgewebe, embryonalen Stammzellen oder iPSC; sie bilden wesentliche Merkmale von Aufbau und Funktion eines Organs nach, etwa von Gehirn, Darm, Niere oder Leber.
Gerüstfreie Methoden – Ultra-Low-Attachment-Platten oder Suspensionskultur im Bioreaktor – lassen die Zellen ohne Einbettsubstrat von selbst aggregieren und liefern dichte Aggregate. Gerüstbasierte Methoden kultivieren die Zellen in Hydrogelen oder auf Mikrocarriern und geben Kontrolle über Steifigkeit und Umgebung, bringen aber ein zusätzliches Substrat in den Ablauf. Was passt, hängt von Zelltyp und Fragestellung ab – unsere Fachleute helfen gern.
ULA-Platten wie CEROplate eignen sich, wenn Sie ein Sphäroid pro Well und viele Bedingungen parallel brauchen, etwa beim Screening im 96- oder 384-Well-Format. Ein Bioreaktor wie CERO 3D eignet sich, wenn Sie große Mengen an Organoiden oder Sphäroiden, eine Langzeitkultur über Wochen bis Monate oder Vermehrung und Differenzierung von Stammzellen im selben Gefäß brauchen.
In CEROplate-ULA-Platten bilden sich gleichmäßige Sphäroide je nach Zelltyp in 2 bis 24 Stunden. Im CERO 3D Bioreaktor wurden HepG2-Sphäroide über mehr als 80 Tage und zerebrale Organoide über mehr als fünf Monate lebensfähig gehalten.
CEROplates eignen sich für Mikroskopie, Fluoreszenzbildgebung und automatisiertes High-Content-Screening. Das xCELLigence RTCA eSight verfolgt Sphäroidwachstum und die Abtötung durch Immunzellen in Echtzeit, und das CellRaft AIR System bildet Hunderte Organoide ab und holt intakte Organoide aus der Matrix.
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