Mengapa lingkungan di sekitar sel penting untuk memahami perilakunya? Dalam tubuh, sel tidak tumbuh sendirian. Sel berinteraksi dengan sel lain dan dengan extracellular matrix (ECM), jaringan molekuler yang memberi dukungan struktural sekaligus memengaruhi sinyal biologis. Interaksi inilah yang mendorong pengembangan berbagai model kultur sel tiga dimensi (3D).
Salah satu matriks yang telah lama digunakan dalam penelitian adalah Corning Matrigel Matrix, preparasi membran basal biologis yang memungkinkan peneliti mengkaji perlekatan, organisasi, migrasi, dan respons sel dalam kondisi eksperimen tertentu [1, 6, 7].
Apa itu extracellular matrix (ECM)?
ECM adalah jaringan protein dan molekul ekstraseluler yang berada di sekitar sel. Komponen membran basal antara lain laminin, collagen IV, nidogen/entactin, dan proteoglikan. ECM tidak sekadar menjadi penyangga; interaksi antara komponen matriks dan reseptor sel dapat memengaruhi adhesi, polaritas, migrasi, serta diferensiasi. Karena itu, pilihan substrat kultur berpotensi mengubah hasil pengamatan biologis [6, 7].
Mengapa kultur 3D semakin banyak dipelajari?
Pada kultur 2D, sel biasanya melekat pada permukaan datar. Pendekatan ini tetap sangat berguna karena sederhana, terkontrol, dan cocok untuk banyak pengujian. Dalam kultur 3D, sel dapat membentuk agregat atau organisasi yang lebih kompleks; beberapa model juga memanfaatkan matriks untuk menyediakan dukungan dari berbagai arah. Namun, model 3D tidak otomatis lebih unggul untuk semua pertanyaan penelitian: kesesuaian metode harus dinilai berdasarkan jenis sel dan tujuan eksperimen.
Bagaimana Matrigel bekerja?
Matrigel merupakan ekstrak matriks membran basal yang berasal dari tumor Engelbreth–Holm–Swarm (EHS) pada mencit. Matriks ini mengandung berbagai protein ECM serta komponen biologis lain. Corning menjelaskan bahwa Matrigel mulai membentuk gel pada sekitar 10°C dan mengalami gelasi cepat di atas 22°C; karena itu, pengendalian suhu sangat penting selama penanganan [1].
Pada kondisi dingin, preparasi standar dapat ditangani sebagai cairan kental. Setelah suhu meningkat, komponen matriks membentuk gel yang dapat digunakan sebagai coating atau lingkungan pendukung kultur 3D. Konsentrasi protein juga memengaruhi kekakuan gel, sehingga parameter tersebut perlu diperhatikan dalam desain eksperimen [1].
Empat aplikasi penelitian yang relevan
Organoid dan model jaringan
Pada kultur organoid, sel punca, sel progenitor, atau fragmen jaringan tertentu dapat ditanam dalam dome matriks untuk mendukung pertumbuhan tiga dimensi. Lingkungan ini memungkinkan sel berinteraksi dengan komponen extracellular matrix (ECM), yang berperan dalam perlekatan, pertumbuhan, diferensiasi, dan pengorganisasian sel.
Berbeda dengan kultur sel konvensional yang umumnya tumbuh pada permukaan datar, organoid dapat membentuk struktur tiga dimensi dengan karakteristik yang menyerupai sebagian organisasi jaringan asalnya. Hal ini memungkinkan peneliti mempelajari proses biologis melalui model yang lebih kompleks.
Bagaimana peneliti mengetahui bahwa organoid berhasil tumbuh?
Salah satu parameter awal yang diamati adalah perubahan morfologi selama kultur. Pada organoid usus, misalnya, struktur awal dapat berkembang menjadi bentuk yang lebih kompleks dengan tonjolan menyerupai tunas atau budding. Tonjolan tersebut berkaitan dengan organisasi kompartemen sel dalam organoid usus.
Dokumentasi Corning pada gambar 4 menunjukkan bahwa organoid usus mencit yang dikultur menggunakan Corning Matrigel Matrix for Organoid Culture dapat mempertahankan pertumbuhan hingga lebih dari tujuh kali passage, dengan morfologi budding dan ekspresi marker yang sesuai dengan karakteristik organoid usus. Dengan demikian, evaluasi organoid tidak hanya didasarkan pada ukuran atau bentuk struktur yang terbentuk, tetapi juga pada karakteristik sel dan jaringan yang ingin dimodelkan.
Organoid adalah struktur sel 3D yang mampu mengorganisasi diri dan merepresentasikan sebagian karakteristik jaringan asal. Dalam berbagai protokol, matriks seperti Matrigel mendukung pembentukan dan pemeliharaan struktur tersebut. Organoid tetap merupakan model eksperimental, bukan organ lengkap [2].
Penelitian kanker dan invasi sel
Dalam penelitian kanker, interaksi antara sel tumor dan extracellular matrix (ECM) menjadi salah satu aspek penting untuk memahami kemampuan sel dalam bermigrasi dan menginvasi jaringan sekitarnya. Matrigel dapat digunakan sebagai matriks tiga dimensi (3D) untuk mempelajari perilaku tersebut melalui metode 3D Matrigel Drop Invasion Assay. Metode ini memungkinkan peneliti mengamati pergerakan dan penyebaran sel kanker dari area awal kultur.
Pada penelitian Aslan et al. (2021), Matrigel digunakan untuk mengevaluasi kemampuan invasi dan migrasi sel kanker prostat LNCaP dengan tingkat ekspresi protein Trop2 yang berbeda. Hasil pengamatan selama enam hari menunjukkan bahwa sel LNCaP dengan peningkatan ekspresi Trop2 (LNCaP-Trop2-OV) mengalami penyebaran lebih luas dibandingkan kelompok kontrol (LNCaP-RFP), terutama pada hari kelima dan keenam, seperti terlihat pada gambar di bawah ini.
Penelitian ini memperlihatkan bagaimana Matrigel dapat dimanfaatkan untuk mempelajari perbedaan perilaku invasif sel kanker secara visual dan kuantitatif. Melalui pengamatan perubahan area penyebaran sel, peneliti dapat mengevaluasi faktor biologis yang berhubungan dengan kemampuan invasi dan migrasi sel kanker. Pendekatan ini menjadi salah satu metode penelitian untuk memahami mekanisme perkembangan kanker, meskipun hasil pengujian in vitro tidak secara langsung menggambarkan proses metastasis di dalam tubuh.
Angiogenesis
Angiogenesis merupakan proses pembentukan pembuluh darah baru yang berperan penting dalam pertumbuhan dan perkembangan tumor. Dalam penelitian angiogenesis, Matrigel digunakan sebagai matriks pendukung untuk mengamati kemampuan sel endotel membentuk struktur menyerupai jaringan pembuluh darah (tube formation) secara in vitro.
Penelitian Zhou et al. (2008) menggunakan model tumor endothelial cell tube formation untuk mempelajari aktivitas anti-angiogenik. Seperti terlihat pada gambar, sel endotel tumor membentuk struktur bercabang dan saling terhubung setelah 5 jam, dengan perubahan organisasi jaringan yang diamati hingga 16 dan 30 jam. Model berbasis Matrigel ini memungkinkan peneliti mengevaluasi pembentukan struktur menyerupai pembuluh darah serta responsnya terhadap senyawa yang berpotensi menghambat angiogenesis.
Stem cell dan diferensiasi
Dalam penelitian stem cell, Corning Matrigel digunakan sebagai substrat pendukung pertumbuhan dan pemeliharaan sel punca. Pada penelitian Bosnakovski et al., human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) dipelihara menggunakan Corning Matrigel hESC-qualified Matrix bersama media mTeSR1 dalam sistem kultur tanpa feeder cells. Setelah beberapa kali passage, kemampuan diferensiasi sel dievaluasi melalui uji pembentukan teratoma pada mencit imunodefisiensi. Hasil pemeriksaan histologis menunjukkan terbentuknya jaringan yang berasal dari tiga lapisan germinal, yaitu ektoderm, mesoderm, dan endoderm. Temuan ini menunjukkan bahwa hiPSCs yang dipelihara menggunakan sistem kultur berbasis Matrigel tetap memiliki potensi untuk berdiferensiasi menjadi berbagai jenis jaringan.
Memilih Formulasi Corning Matrigel Sesuai Kebutuhan Penelitian
Setiap penelitian memiliki kebutuhan yang berbeda, sehingga pemilihan formulasi Corning Matrigel perlu disesuaikan dengan jenis sel, tujuan eksperimen, dan parameter yang akan diamati. Corning Matrigel Matrix Standard dapat digunakan untuk berbagai aplikasi kultur sel yang sesuai dengan spesifikasi produknya. Sementara itu, formulasi Growth Factor Reduced (GFR) memiliki kadar sejumlah growth factor yang lebih rendah, sehingga dapat dipertimbangkan untuk penelitian yang membutuhkan pengendalian lebih lanjut terhadap pengaruh faktor pertumbuhan dari matriks.
Untuk pengujian yang sensitif terhadap keberadaan indikator warna, tersedia formulasi Phenol Red-Free. Adapun High Concentration Matrigel dapat dipertimbangkan untuk aplikasi yang memerlukan konsentrasi protein matriks lebih tinggi, termasuk penelitian tertentu yang melibatkan pembentukan struktur tiga dimensi atau penggunaan in vivo. Pemilihan formulasi sebaiknya selalu mengacu pada panduan aplikasi dan spesifikasi teknis produk, karena tidak semua formulasi memberikan hasil yang sama pada setiap jenis sel.
Penanganan Matrigel untuk Menjaga Konsistensi Hasil
Selain pemilihan formulasi, cara penanganan Matrigel merupakan faktor penting dalam keberhasilan penelitian. Matrigel bersifat sensitif terhadap suhu dan dapat mengalami pembentukan gel ketika temperaturnya meningkat. Oleh karena itu, proses pencairan dan preparasi perlu dilakukan dalam kondisi dingin sesuai petunjuk Corning.
Penggunaan ujung pipet dan peralatan yang telah didinginkan dapat membantu mencegah pembentukan gel sebelum waktunya. Siklus pembekuan dan pencairan berulang juga sebaiknya dihindari untuk menjaga karakteristik matriks.
Hal lain yang perlu diperhatikan adalah perbedaan karakteristik antar-lot. Karena Matrigel merupakan matriks yang berasal dari sumber biologis, konsentrasi protein dan karakteristik tertentu dapat bervariasi. Peneliti dianjurkan memeriksa Certificate of Analysis (CoA) dari lot yang digunakan dan mempertimbangkan evaluasi lot terlebih dahulu, terutama untuk eksperimen yang membutuhkan konsistensi tinggi.
Memahami Kelebihan dan Keterbatasan Model Kultur 3D
Penggunaan Matrigel telah mendukung perkembangan berbagai model penelitian, mulai dari kultur organoid hingga pengamatan invasi sel kanker dan diferensiasi sel punca. Namun, penggunaan model tiga dimensi tidak selalu berarti hasil penelitian akan lebih baik dibandingkan kultur dua dimensi.
Pemilihan model tetap perlu mempertimbangkan pertanyaan penelitian, karakteristik sel, tingkat kontrol terhadap lingkungan kultur, serta metode analisis yang digunakan. Matrigel menyediakan lingkungan biologis yang kaya akan komponen extracellular matrix (ECM), tetapi komposisinya tidak sepenuhnya terdefinisi dan dapat memiliki variasi antar-lot.
Untuk penelitian yang membutuhkan kontrol komposisi lebih ketat, matriks sintetis yang terdefinisi dapat menjadi alternatif. Meski demikian, pemilihannya tetap harus mempertimbangkan kesesuaian dengan kebutuhan biologis sel dan tujuan eksperimen. Dengan memahami karakteristik, aplikasi, dan keterbatasan Corning Matrigel, peneliti dapat merancang sistem kultur yang lebih sesuai, sekaligus meningkatkan konsistensi dan relevansi hasil penelitian.
Catatan: Corning Matrigel Matrix ditujukan untuk penggunaan penelitian (Research Use Only/RUO), bukan untuk prosedur diagnostik atau terapeutik pada manusia.
Referensi Ilmiah dan Sumber Teknis
[1] Corning Life Sciences. (2017). The Ultimate Guide to Corning Matrigel Matrix. CLS-DL-AC-016.
[2] Corning Life Sciences. (2019). Corning Matrigel Matrix for Organoid Culture. CLS-AC-019.
[3] Bosnakovski, D., et al. Maintenance of Human iPS Cells in a Feeder-free Culture System. Corning Life Sciences, Application Note 490.
[4] Aslan, M., Hsu, E.-C., Liu, S., & Stoyanova, T. (2021). Quantifying the invasion and migration ability of cancer cells with a 3D Matrigel drop invasion assay. Biology Methods and Protocols. Artikel jurnal (DOI)
[5] Zhou, Q., Kiosses, W. B., Liu, J., & Schimmel, P. (2008). Tumor endothelial cell tube formation model for determining anti-angiogenic activity of a tRNA synthetase cytokine. Methods, 44(2), 190–195. Artikel jurnal (DOI)
[6] Kleinman, H. K., & Martin, G. R. (2005). Matrigel: Basement membrane matrix with biological activity. Seminars in Cancer Biology, 15(5), 378–386. Artikel jurnal (DOI)
[7] Aisenbrey, E. A., & Murphy, W. L. (2020). Synthetic alternatives to Matrigel. Nature Reviews Materials, 5, 539–551. Artikel jurnal (DOI)