Le bioreacteur permet une culture automatisée à long terme de cellules souches

Une boucle de liquide transporte tous les liquides vers les bioréacteurs et vers le microscope placé au centre. © Fraunhofer ISC / Une boucle de liquide transporte tous les liquides utilisés vers les bioréacteurs et vers le microscope placé au centre. © Fraunhofer ISC

Le système d'incubation modulaire, extensible fonctionnellement, avec les bioréacteurs intégrés. © Fraunhofer ISC / Le système d'incubation modulaire avec bioréacteurs intégrés peut être étendu pour inclure des fonctions supplémentaires. © Fraunhofer ISC

Les cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPSCs) sont considérées comme un outil prometteur en médecine : à l'avenir, elles devraient permettre la thérapie de nombreuses affections telles que les maladies neurodégénératives. Cependant, la production de grandes quantités de hiPSCs demeure un défi. Des chercheurs du Centre de traduction Fraunhofer pour les thérapies régénératives TLZ-RT de l'Institut Fraunhofer pour la recherche sur le silicate ISC ont maintenant développé un bioréacteur permettant une culture automatisée à long terme des hiPSCs.

Les cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPSCs) offrent un grand potentiel pour le développement de thérapies cellulaires, de médicaments et pour l'étude des maladies. Les hiPSCs ressemblent beaucoup aux cellules souches embryonnaires, mais elles sont cultivées et reprogrammées en laboratoire à partir de cellules adultes, préalablement prélevées sur le tissu conjonctif d'adultes. L'avantage : les cellules souches pluripotentes peuvent potentiellement produire n'importe quelle cellule ou tissu dont le corps a besoin pour l'auto-réparation. De plus, il est possible de tester directement sur les cellules concernées par une maladie spécifique des substances actives potentielles adaptées au patient.

Pour répondre à la demande croissante en hiPSCs et permettre une production standardisée à grande échelle, une équipe de chercheurs du Fraunhofer ISC à Wurtzbourg a développé dans le cadre du projet SUSI (abréviation de Suspensionsinkubator) un incubateur dynamique et un bioréacteur à suspension, adaptés à la culture à long terme des hiPSCs. Il offre des conditions optimales telles qu'une température de 37 °C et une atmosphère enrichie en cinq pour cent de CO2, nécessaires à la culture cellulaire. Une composante clé du bioréacteur est l'impulseur ou agitateur, qui remplit les tâches essentielles de mélange, d'aération ainsi que de transfert de chaleur et de masse dans le récipient en verre, afin de maintenir des conditions homogènes dans la suspension cellulaire et ainsi permettre une croissance cellulaire propre. « Le bien-être des cellules est notre priorité. C'est pourquoi nous avons conçu et construit les composants de notre bioréacteur », explique Thomas Schwarz, chercheur au Fraunhofer TLZ-RT. Il est notamment crucial de contrôler les forces de cisaillement exercées sur les cellules lors du brassage de la culture. Grâce à des simulations logicielles, les chercheurs ont réussi à calculer les paramètres optimaux pour la conception de l'agitateur ainsi que les paramètres de processus les plus appropriés, qui sont ensuite surveillés en continu en temps réel dans le bioréacteur à l'aide de capteurs. Cela permet d'obtenir une suspension cellulaire homogène – même en cas de grandes quantités de cellules. Par conséquent, le récipient en verre qui entoure l'agitateur est évolutif.

Cultures cellulaires sur une période de trois mois

Un circuit de fluide, permettant par une configuration de quatre valves de transporter tous les liquides nécessaires aux processus – comme le milieu nutritif – dans un environnement stérile. Ainsi, les hiPSCs peuvent être multipliées de manière entièrement automatisée, minimisant ainsi l'influence des interactions humaines. De plus, l'incubateur comprend un microscope spécialement développé en partenariat, permettant de surveiller automatiquement l'état du milieu nutritif et de la suspension cellulaire, ainsi que de vérifier la formation d'agglomérats ou de amas cellulaires indésirables. En complément, l'utilisation de l'IA permet de compter les cellules. Pendant la culture, un réseau neuronal analyse la géométrie cellulaire. « Notre système modulaire, extensible en fonction des besoins, se distingue par sa flexibilité et son haut degré d'automatisation, permettant un traitement contrôlé des cellules. Grâce à la boucle fermée et à l'échange automatisé des composants fluidiques, il est possible d'éviter les contaminations », explique le chercheur. Dans l'incubateur du Fraunhofer TLZ-RT, différents types de bioréacteurs peuvent être intégrés, l'équipement étant personnalisable – une possibilité que les incubateurs conventionnels ne proposent généralement pas.

Grâce au bioréacteur, présenté sous forme de prototype, les chercheurs ont maintenant réussi à cultiver des cellules sur une période de trois mois, sans réduire leur potentiel de différenciation. Le système a été adapté de manière à permettre différentes différenciations cellulaires à partir des cultures – une avancée pour la technologie hiPSC.