Justyna Płonka-Czerw, Małgorzata Latocha

Zastosowanie hodowli 3D w ocenie działania leków przeciwnowotworowych i medycynie personalizowanej – przegląd narracyjny

 

2025-12-30

Przedmiot badań. Choroby nowotworowe to jedne z głównych przyczyn zgonów na świecie, z milionami nowych przypadków każdego roku. Pomimo znacznego postępu w nauce i szeroko zakrojonych badań, nowotwory wciąż pozostają poważnym wyzwaniem dla zdrowia publicznego i znacznym obciążeniem dla pacjentów, ich rodzin oraz społeczeństwa. Wraz z rozwojem wiedzy na temat przyczyn, przebiegu i zmian, jakie towarzyszą chorobom nowotworowym ewoluuje również podejście do diagnostyki, leczenia i zapobiegania chorobie. Dla opracowania nowych, skutecznych metod leczenia nowotworów niezwykle istotne jest poznanie złożonych mechanizmów leżących u podstaw rozwoju i progresji choroby. Bardzo obiecujące wydają się tu terapie ukierunkowane na konkretnego pacjenta, pozwalające na precyzyjne usuwanie nieprawidłowych komórek z równoczesnym ograniczeniem skutków ubocznych terapii. Personalizowanie terapii wymaga uwzględnienia heterogenności chorób nowotworowych i dostosowania leczenia do indywidualnego profilu pacjenta. W tym zakresie dużą pomocą mogą okazać się trójwymiarowe (3D) hodowle in vitro – zarówno do indywidualnej oceny charakteru nowotworu, możliwości wyboru najlepszej metody jego eliminacji, oceny wrażliwości na określone leki lub indywidualnego podejścia terapeutycznego, jak również i na etapie badań podstawowych czy przedklinicznych, dotyczących bardziej uniwersalnych metod leczenia.

Cel badań. Celem pracy jest przedstawienie wielokierunkowych możliwości wykorzystania hodowli 3D w badaniach poświęconych opracowywaniu terapii przeciwnowotworowych pacjentów onkologicznych, w tym terapii personalizowanych.

Metodyka wyszukiwania i doboru piśmiennictwa. Przegląd piśmiennictwa prowadzono za pomocą wyszukiwarek: PubMed, Google Scholar, Wiley Online Library i Web of Science, korzystających z bazy MEDLINE. Wyszukiwano publikacje zawierające słowa kluczowe: “cell culture techniques”, “three dimensional”, “organoids”, “drug evaluation, preclinical”, “precision medicine”. Zestawienia aktualnie prowadzonych oraz zakończonych badań klinicznych w zakresie wykorzystania hodowli komórkowych 3D w ocenie skuteczności działania leków przeciwnowotworowych dokonano na podstawie danych dostępnych w bazie ClinicalTrials.gov.

Wyniki. Wykorzystanie konkretnych modeli trójwymiarowych (3D) hodowli komórkowych w badaniach przedklinicznych zależy od celu badań i stopnia ich zaawansowania. Proste modele 3D mogą być wykorzystywane jako alternatywa dla stosowanych obecnie dwuwymiarowych (2D) hodowli komórkowych w wysokoprzepustowych badaniach przesiewowych leków, które pozwalają wyłonić spośród ogromnej liczby potencjalnych leków przeciwnowotworowych te, które wykazują najsilniejsze działanie cytotoksyczne względem komórek nowotworowych. Z kolei bardziej złożone modele 3D pozwalają uwzględnić w badaniach, istotne z punktu widzenia progresji guza nowotworowego, oddziaływania komórek nowotworowych z komórkami podścieliska i elementami macierzy pozakomórkowej, które równocześnie pełnią kluczową rolę w odpowiedzi zmiany nowotworowej na zastosowane leczenie. Istotne jest uwzględnienie w modelach badawczych roli nowotworowych komórek macierzystych. Badania prowadzone w zakresie medycyny personalizowanej ukierunkowane są przede wszystkim na wykorzystanie modeli 3D do przewidywania osobniczej wrażliwości pacjenta na działanie leków przeciwnowotworowych. Pozwala to nie tylko dobrać najskuteczniejszy dla danego pacjenta schemat leczenia, ale niejednokrotnie pozwala również uniknąć wyniszczających organizm skutków ubocznych terapii. Ponadto hodowle 3D wyprowadzone bezpośrednio z guza nowotworowego pacjenta mogą posłużyć jako model badawczy dla nowo opracowywanych leków onkologicznych lub repozycjonowania leków o dobrze już scharakteryzowanym mechanizmie działania.

Wnioski. Trójwymiarowe (3D) hodowle komórkowe wydają się niezwykle istotnym ogniwem w procesie opracowywania i wprowadzania leków przeciwnowotworowych do terapii pacjentów onkologicznych. Aby w pełni wykorzystać szeroki wielokierunkowy potencjał modeli trójwymiarowych w badaniach przedklinicznych leków i przeciwnowotworowej terapii personalizowanej, niezbędne jest opracowanie i wdrożenie znormalizowanych protokołów i technik automatyzacji hodowli modeli 3D konkretnych typów nowotworów, z uwzględnieniem długoterminowych metod hodowli w warunkach dynamicznych, takich jak systemy mikroprzepływowe.

Słowa kluczowe: techniki hodowli komórkowej, trójwymiarowe, organoidy, ocena leków, badania przedkliniczne, medycyna precyzyjna.

© Farm Pol, 2025, 81(6): 331–347

Application of 3D cultures in assessing the effectiveness of anticancer drugs and in personalized medicine – narrative review

Research Subject. Cancer is one of the leading causes of death worldwide, with millions of new cases each year. Despite significant scientific progress and extensive research, cancer remains a serious public health challenge and a significant burden for patients, their families, and society. As knowledge about the causes, course, and changes that accompany cancer grows, approaches to diagnosis, treatment, and prevention are also evolving. Understanding the complex mechanisms underlying the development and progression of the disease is crucial in developing new, effective cancer treatments. Patient-targeted therapies, allowing for the precise removal of abnormal cells while limiting side effects, show significant potential. Personalizing therapy requires considering the heterogeneity of cancer and tailoring treatment to the individual patient’s profile. In this respect, three-dimensional (3D) in vitro cultures can be of great help – both for the individual assessment of the nature of the cancer and the possibility of choosing the best method of its elimination, the assessment of sensitivity to specific drugs or an individual therapeutic approach, as well as at the stage of basic or preclinical research on more universal treatment
methods.

Research Objective. The aim of this study is to present the multifaceted possibilities of using 3D cultures in research dedicated to the development of anticancer therapies for oncology patients, including personalized therapies.

Methodology. A literature review was conducted using the search engines PubMed, Google Scholar, Wiley Online Library, and Web of Science, and the MEDLINE database. Publications containing the following keywords: “cell culture techniques”, “three dimensional”, “organoids”, “drug evaluation, preclinical”, and “precision medicine” were searched. The summary of currently conducted and completed clinical trials on the use of 3D cell cultures in assessing the effectiveness of anticancer drugs was made based on data available in the ClinicalTrials.gov database.

Results. The use of specific three-dimensional (3D) cell culture models in preclinical studies depends on the study’s goal and level of sophistication. Simple 3D models can be used as an alternative to currently used two-dimensional (2D) cell cultures in high-throughput drug screening studies, allowing the selection of those with the most potent cytotoxic activity against cancer cells from a vast number of potential anticancer drugs. More complex 3D models, in turn, allow for the inclusion of interactions between cancer cells and stromal cells and extracellular matrix components, which are crucial for tumor progression and play a key role in the tumor’s response to treatment. It is crucial to consider the role of cancer stem cells in research models. Research conducted in the field of personalized medicine is primarily focused on using 3D models to predict individual patient sensitivity to anticancer drugs. This not only allows for the selection of the most effective treatment regimen for a given patient but also often helps avoid devastating side effects. Furthermore, 3D cell cultures derived directly from a patient’s tumor can serve as a research model for newly developed oncology drugs or for repositioning drugs with well-characterized mechanisms of action.

Conclusions. Three-dimensional (3D) cell cultures appear to be an extremely important link in the process of developing and introducing anticancer drugs into cancer therapy. To fully utilize the broad, multifaceted potential of 3D models in preclinical drug testing and personalized cancer therapy, it is essential to develop and implement standardized protocols and techniques for automating the cultivation of 3D models of specific tumor types, taking into account long-term culture methods under dynamic conditions, such as microfluidic systems.

Keywords: cell culture techniques, three dimensional; organoids; drug evaluation, preclinic.

© Farm Pol, 2025, 81(6): 331–347