Bioreattore consente la coltura automatizzata a lungo termine delle cellule staminali

Un ciclo di fluidi trasporta tutti i liquidi ai bioreattori e al microscopio posizionato al centro. © Fraunhofer ISC / Un ciclo di fluidi trasporta tutti i liquidi utilizzati ai bioreattori e al microscopio posizionato al centro. © Fraunhofer ISC

Il sistema incubatore modulare, espandibile funzionalmente con i bioreattori integrati. © Fraunhofer ISC / Il sistema incubatore modulare con bioreattori integrati può essere ampliato per includere funzioni aggiuntive. © Fraunhofer ISC

Le cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSCs) sono considerate uno strumento promettente in medicina: in futuro dovrebbero consentire la terapia di molte malattie come ad esempio le malattie neurodegenerative. Tuttavia, la produzione di grandi quantità di hiPSCs rimane una sfida. Ricercatori del Fraunhofer Centro di Traslazione per Terapie Rigenerative TLZ-RT presso l'Istituto Fraunhofer di Ricerca sui Silicati ISC hanno sviluppato un bioreattore che permette una coltura automatizzata a lungo termine di hiPSCs.

Le cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSCs) offrono un grande potenziale per lo sviluppo di terapie cellulari, farmaci e per la ricerca sulle malattie. Le hiPSCs sono molto simili alle cellule staminali embrionali, ma vengono coltivate e riprogrammate in laboratorio da cellule adulte, prelevate dal tessuto connettivo di adulti. Il vantaggio: le cellule staminali pluripotenti possono potenzialmente produrre qualsiasi cellula o tessuto di cui il corpo ha bisogno per l'autoguarigione. Inoltre, è possibile testare direttamente sulle cellule, affette da una determinata malattia, potenziali principi attivi specifici per il paziente.

Per soddisfare la crescente domanda di hiPSCs e consentire una produzione standardizzata in quantità maggiori, un team di ricercatori del Fraunhofer ISC a Würzburg ha sviluppato nel progetto SUSI (abbreviazione di Suspensionsinkubator) un incubatore dinamico e un bioreattore a sospensione, adatti alla coltura a lungo termine di hiPSCs. Offre condizioni ottimali come una temperatura di 37 °C e un'atmosfera saturata di cinque percento di CO2, necessarie per la coltura cellulare. Una componente chiave del bioreattore è l'impellente o agitatore, che svolge le importanti funzioni di miscelazione, aerazione, trasferimento di calore e massa nel contenitore di vetro, creando condizioni omogenee all’interno della sospensione cellulare e consentendo una proliferazione cellulare pulita. «Il benessere delle cellule è al centro della nostra attenzione. Di conseguenza, abbiamo progettato e costruito le componenti del nostro bioreattore», afferma Thomas Schwarz, ricercatore del Fraunhofer TLZ-RT. È fondamentale, ad esempio, quale forza di taglio agisce sulle cellule durante la miscelazione. Grazie a simulazioni software, i ricercatori sono riusciti a calcolare i parametri ottimali per la progettazione dell’impellente e i parametri di processo più adatti, che vengono monitorati continuamente in tempo reale nel bioreattore tramite sensori. Ciò garantisce una sospensione cellulare omogenea – anche con grandi quantità di cellule. Di conseguenza, il contenitore di vetro che racchiude l’impellente è scalabile.

Coltura cellulare della durata di tre mesi

Un circuito di fluidi, reso possibile dall’interconnessione di quattro valvole, trasporta tutte le soluzioni liquide necessarie ai processi – ad esempio il mezzo di coltura – in un ambiente sterile. In questo modo, le hiPSCs possono essere moltiplicate completamente in modo automatico e le influenze delle interazioni umane minimizzate. Inoltre, l’incubatore include un microscopio sviluppato appositamente in collaborazione con un partner, che permette di monitorare automaticamente lo stato del mezzo di coltura e della sospensione cellulare e di verificare la formazione di agglomerati o ammassi cellulari indesiderati. Inoltre, l’uso dell’IA consente di contare le cellule. Durante la coltura cellulare, una rete neurale analizza le geometrie cellulari. «Il nostro sistema modulare, espandibile funzionalmente, si distingue per la sua flessibilità e il suo alto livello di automazione, consentendo un trattamento controllato delle cellule. Grazie al ciclo chiuso e allo scambio automatico delle componenti fluide, è possibile evitare contaminazioni», spiega il ricercatore. Nel bioreattore del Fraunhofer TLZ-RT possono essere integrati diversi tipi di bioreattori, e le attrezzature sono personalizzabili – una possibilità che i normali incubatori di solito non offrono.

Con il bioreattore, attualmente disponibile come prototipo, i ricercatori sono riusciti a coltivare le cellule per oltre tre mesi senza ridurne il potenziale di differenziazione. Il sistema è stato adattato in modo che siano possibili diverse differenziazioni cellulari dalle colture – un progresso per la tecnologia hiPSC.