Bioreaktor umožňuje automatizovanou dlouhodobou kultivaci kmenových buněk

Oběhový systém přenáší všechny kapaliny do bioreaktorů a na centrálně umístěný mikroskop. © Fraunhofer ISC / Oběhový okruh přenáší všechny kapaliny používané do bioreaktorů a na centrálně umístěný mikroskop. © Fraunhofer ISC

Modulární, funkčně rozšiřitelný inkubační systém s integrovanými bioreaktory. © Fraunhofer ISC / Modulární inkubační systém s vestavěnými bioreaktory lze rozšířit o další funkce. © Fraunhofer ISC

Humánně indukované pluripotentní kmenové buňky (hiPSCs) jsou považovány za slibný nástroj v medicíně: v budoucnu by mohly umožnit terapii mnoha onemocnění, například neurodegenerativních chorob. Přesto je však výroba většího množství hiPSCs stále výzvou. Výzkumníci z Fraunhoferova centra pro překládací výzkum regenerativních terapií TLZ-RT při Fraunhoferově ústavu pro sklovitiny ISC nyní vyvinuli bioreaktor, který umožňuje automatizovanou dlouhodobou kultivaci hiPSCs.

Humánně indukované pluripotentní kmenové buňky (hiPSCs) nabízejí velký potenciál pro vývoj buněčných terapií, léků a pro výzkum nemocí. HiPSCs jsou velmi podobné embryonálním kmenovým buňkám, avšak jsou laboratorně vyšlechtěny z dospělých buněk, které byly dříve odebrány z pojivové tkáně dospělých. Výhodou je: pluripotentní kmenové buňky mohou potenciálně produkovat jakoukoli buňku nebo tkáň, kterou tělo potřebuje k samoopravě. Navíc je možné přímo u buněk postižených určitým onemocněním testovat pacientem specifické potenciální účinné látky.

Pro pokrytí rostoucí poptávky po hiPSCs a umožnění standardizované výroby ve větším množství vyvinul tým výzkumníků z Fraunhofer ISC v rámci projektu SUSI (zkratka pro Suspensionsinkubator) dynamický inkubátor a suspensní bioreaktor, který je vhodný pro dlouhodobou kultivaci hiPSCs. Nabízí optimální podmínky, jako je teplota 37 °C a atmosféra s pěti procenty CO2, které jsou nezbytné pro kultivaci buněk. Klíčovou součástí bioreaktoru je impeller nebo míchadlo, které plní důležité úkoly míchání, větrání a přenosu tepla a hmoty v skleněné nádobě, čímž nastavuje homogenní podmínky uvnitř suspenze buněk a umožňuje čisté množení buněk. »Dobro našich buněk je u nás na prvním místě. Proto jsme navrhli a konstruovali komponenty našeho bioreaktoru,« říká Thomas Schwarz, vědec z Fraunhofer TLZ-RT. Je například zásadní, jaké síly působí na buňky při míchání kultury. Pomocí softwarových simulací se vědcům podařilo vypočítat optimální parametry pro konstrukci impelleru a vhodné procesní parametry, které jsou následně v bioreaktoru kontinuálně monitorovány senzory v reálném čase. To zajišťuje homogenní suspenzi buněk – i při velkém množství buněk. Skleněná nádoba, která impeller obklopuje, je tak škálovatelná.

Kultivace buněk po dobu tří měsíců

Oběhový systém, který umožňuje propojení čtyř ventilů, přenáší všechny kapalné roztoky potřebné pro procesy – například živné médium – v sterilním prostředí. Díky tomu lze hiPSCs plně automaticky rozmnožovat a minimalizovat vliv lidských zásahů. Navíc inkubátor obsahuje speciálně vyvinutý mikroskop ve spolupráci s partnerem, který umožňuje automaticky sledovat stav živného média a suspenze buněk a kontrolovat tvorbu nežádoucích shluků nebo shluků buněk. Doplňkově umožňuje použití umělé inteligence počítání buněk. Během kultivace buněk analyzuje neuronová síť jejich geometrie. »Náš modulární, funkčně rozšiřitelný systém se vyznačuje svou flexibilitou a vysokou mírou automatizace a umožňuje kontrolovanou manipulaci s buňkami. Díky uzavřenému cyklu a automatické výměně tekutých komponent lze předejít kontaminaci,« říká vědec. Do inkubátoru Fraunhofer TLZ-RT lze integrovat různé typy bioreaktorů, vybavení je individuálně přizpůsobitelné – což je možnost, kterou běžné inkubátory obvykle nenabízejí.

S bioreaktorem, který je nyní dostupný jako prototyp, se vědcům podařilo kultivovat buňky po dobu tří měsíců, aniž by došlo ke snížení jejich diferenciace. Systém byl upraven tak, aby umožňoval různé diferenciace buněk z kultur – což představuje pokrok v technologii hiPSC.