Procesní řetězce pro izolaci a analýzu: od jednotlivé buňky po organoid

Aktinem barvený 3T3 fibroblastoidní sféra pro přenos LIFT, kultivovaná v laserem vyrobených mikropodložkách. © Fraunhofer ILT, Aachen / Actin stained 3T3 fibroblast spheroid for LIFT transfer cultured in laser fabricated micro wells. © Fraunhofer ILT, Aachen, Německo

Paralelní, kontinuální perfuze čtyř systémů Organ-on-Chip. © Fraunhofer ILT, Aachen / Paralelní, kontinuální perfuze čtyř systémů organ-on-chip. © Fraunhofer ILT, Aachen, Německo

Výzkumníci z Fraunhoferova institutu pro laserovou techniku ILT pracují na nových nástrojích pro poskytování a analýzu jednotlivých buněk a buněčných svazků. Systém „Liftoscope“ byl vyvinut pro třídění buněk pro následní kultivaci, který dokáže přesně a šetrně analyzovat a přenášet biomateriály. Metody 3D biotisku stále častěji pronikají do biotechnologického výzkumu: díky vývoji mikrofluidických systémů typu Organ-on-a-Chip mají být různé buňky definovány a reprodukovatelně uspořádány do umělých tkání. Výsledky výzkumu představují odborníci z Fraunhofer ILT od 21. do 24. června na veletrhu analytica v Mnichově.

Osmnáct tisíc návštěvníků očekává orientované na budoucnost biotechnologická řešení a inovativní laboratorní technika na veletrhu analytica, světové výstavě pro laboratorní techniku, analytiku a biotechnologii. V první edici od začátku pandemie koronaviru je kromě více než 700 vystavovatelů také zastoupeno Fraunhofer ILT s několika tématy.

Analyzovat, izolovat, přenášet

Výroba buněčných kultur vyžaduje mnoho různých pracovních kroků, při nichž jsou buňky pěstovány a zkoumány. Kultivace buněk je díky manuální práci v konvenčních postupech velmi časově náročná a náchylná k chybám. Fraunhofer ILT představuje dva projekty na téma kultivace buněk: ve společném projektu „Liftoscope“ vyvíjí Fraunhofer ILT ve spolupráci s Fraunhoferovým institutem pro výrobní technologie IPT šetrný, automatizovaný postup pro analýzu a izolaci buněk.

Nejprve je kultivační deska buněk skenována pomocí vysokorychlostního mikroskopu. Na základě obrazových dat lze pomocí speciálně vyvinutého algoritmu určit morfologii rozpoznaných buněk. Aby bylo možné následně izolovat pouze vhodný buněčný materiál, využívají vědci technologii laserem indukovaného transferu vpřed, zkráceně LIFT: buněčné kultury jsou umístěny na kultivační desce v speciálním hydrogelu. Laser se velmi lokalizovaně zaměří pod vybrané buňky v gelu a vytvoří přesně dávkovanou množinu tepelné energie. Krátký impuls způsobí rozšíření gelu a přenos buněk na nad ním umístěný kultivační nosič, na kterém jsou dále kultivovány.

Plně automatizovaný analytický a izolační proces se snadno integruje do jakéhokoliv laboratorního prostředí. Díky modulárnímu designu je jeho použití všestranné a lze jej vložit do stávajících mikroskopů. Jako nosič buněk je vhodná například běžná mikrodeska. Tento postup je nejen časově úsporný, ale i nákladově efektivní.

Další výzvou je přenos adhezivně rostoucích buněk: „Zde stále hledáme vhodný hydrogél, který by zlepšil přežití buněk,“ říká Richard Lensing, vědec z Fraunhofer ILT, skupina Biofabrikace. Aby byl postup ještě efektivnější, pracují vědci z Fraunhofer IPT a ILT také na rychlejším a rozlišujícím algoritmu, který dokáže na základě různých znaků třídit a selektovat buňky.

Organ-on-a-Chip

Nový přístup nabízí také 3D tisk: biotisk umožňuje tvorbu umělých tkání a přispívá ke snížení testování na zvířatech a ke zlepšení diagnostiky léčebných metod. Vědci z Fraunhofer ILT na veletrhu analytica představí několik mikrofluidických systémů typu Organ-on-a-Chip o velikosti USB flash disku.

Cílem 3D biotisku je uspořádat buňky do přesně definované a reprodukovatelné prostorové konfigurace umělých tkání. Buňkami naplněné hydrogely, tzv. bioinky, jsou extruzně tisknuty. Takové kultury se vyvíjejí přibližně stejně jako v těle. Současně mohou vědci snadněji zasahovat a sledovat proces. Ve spojení s mikrofluidickým designem čipu je sestavován Organ-on-a-Chip z několika typů buněk a analyzována funkce buněk. Testy lze cíleně řídit a pravděpodobně dosahují lepších a přesnějších výsledků při zkoumání vlivu bakterií, virů a léků na in vitro tkáně.