Catene di processo per l'isolamento e l'analisi: dalla singola cellula all'organoide

Sferoide di fibroblasti 3T3 colorati con actina per il trasferimento LIFT, coltivati in microconche realizzate con laser. © Fraunhofer ILT, Aachen / Actin stained 3T3 fibroblast spheroid for LIFT transfer cultured in laser fabricated micro wells. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany

Perfezione parallela e continua di quattro sistemi organo-su-chip. © Fraunhofer ILT, Aachen / Perfusione parallela e continua di quattro sistemi organo-su-chip. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germania

Ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per la Tecnologia dei Laser ILT lavorano su nuovi strumenti per la fornitura e l'analisi di singole cellule e tessuti cellulari. Con il »Liftoscope« è stato sviluppato un sistema di separazione cellulare per una successiva coltivazione, che può analizzare e trasferire biomateriali in modo preciso e delicato. Le tecniche di bioprinting 3D stanno entrando sempre più nel campo della ricerca biotecnologica: attraverso lo sviluppo di sistemi microfluidici Organ-on-a-Chip, si mira a definire e riprodurre in modo ripetibile diverse cellule in tessuti artificiali. I risultati della ricerca saranno presentati dagli esperti dell'Istituto Fraunhofer ILT dal 21 al 24 giugno a München all'analytica.

Soluzioni biotecnologiche orientate al futuro e tecnologie di laboratorio innovative attendono circa 35.000 visitatori alla fiera analytica, la principale fiera mondiale per la tecnologia di laboratorio, analisi e biotecnologia. Nella prima edizione dopo l'inizio della pandemia di Covid-19, oltre a più di 700 espositori, è presente anche il Fraunhofer ILT con diversi temi.

Analizzare, isolare, trasferire

La produzione di colture cellulari richiede molte fasi di lavoro, durante le quali le cellule vengono coltivate e studiate. La coltivazione cellulare è molto lunga e soggetta a errori a causa del lavoro manuale nei metodi convenzionali. Il Fraunhofer ILT presenta due progetti sul tema della coltivazione cellulare: nel progetto congiunto »Liftoscope«, il Fraunhofer ILT collabora con l'Istituto Fraunhofer per la Tecnologia della Produzione IPT per sviluppare un metodo delicato e automatizzato per analizzare e isolare le cellule.

Per farlo, prima di tutto, il piatto di coltura cellulare viene scansionato da un microscopio ad alta velocità. Basandosi sui dati delle immagini, si può determinare la morfologia delle cellule riconosciute con un algoritmo appositamente sviluppato. Per isolare solo il materiale cellulare più adatto, i ricercatori utilizzano la tecnologia del trasferimento laser indotto, chiamata LIFT: le colture cellulari si trovano sul piatto di coltura in un idrogel speciale. Un laser focalizza molto localmente sotto le cellule selezionate nel gel, generando una quantità precisa di energia termica. Con un impulso breve, il gel si espande e trasferisce le cellule su un supporto di coltura superiore, dove vengono coltivate ulteriormente.

Il metodo di analisi e isolamento completamente automatizzato può essere facilmente integrato in qualsiasi ambiente di laboratorio. Grazie al design modulare, è versatile e può essere utilizzato con microscopi esistenti. Come supporto cellulare, ad esempio, si può usare un comune piattino microtitolato. Il procedimento non solo risparmia tempo, ma anche costi.

Un'altra sfida riguarda il trasferimento di cellule aderenti in crescita: «Qui stiamo ancora cercando il gel idrogel più adatto per migliorare il tasso di sopravvivenza delle cellule», afferma Richard Lensing, scienziato del Fraunhofer ILT, gruppo di Biofabbricazione. Per rendere il metodo ancora più efficiente, i ricercatori del Fraunhofer IPT e ILT stanno lavorando anche a un algoritmo più rapido e differenziato, in grado di classificare e selezionare le cellule in base a vari tratti.

Organ-on-a-Chip

Un nuovo approccio è offerto anche dalla stampa 3D: il bioprinting consente di costruire tessuti artificiali e contribuisce a evitare i test sugli animali e a migliorare la diagnostica terapeutica. Gli scienziati del Fraunhofer ILT mostrano a analytica diversi sistemi microfluidici Organ-on-a-Chip di dimensioni simili a una chiavetta USB.

L'obiettivo del bioprinting 3D è di disporre le cellule in una configurazione spaziale definita e riproducibile per creare tessuti artificiali. Si stampano idrogeli pieni di cellule, chiamati bioink, con tecniche di estrusione. In tali culture, le cellule si sviluppano quasi come nel corpo. Allo stesso tempo, i ricercatori possono intervenire più facilmente e osservare il processo. In combinazione con un design di microchip microfluidico, si costruisce un Organ-on-a-Chip composto da più tipi di cellule e si analizzano le funzioni cellulari. I test possono essere condotti in modo mirato e si prevedono risultati migliori e più precisi nello studio degli effetti di batteri, virus e farmaci sui tessuti in vitro.