Condizioni di avvio costanti per metodi di coltura cellulare 3D: una piattaforma unica consente la coltivazione di fino a 9.000 sfere uniformi e controllate in dimensioni

Lavorare con la SP5D pronta all'uso è particolarmente intuitivo, in modo che la gestione della piattaforma venga appresa rapidamente: la coltivazione non richiede alcun pretrattamento. Anche il cambio dei media, effettuato tramite semplice pipettatura, è molto comodo. (Fonte: Kugelmeiers Ltd.)

Con la SP5D e la sua geometria brevettata è possibile coltivare un gran numero di sferoidi uniformi – fino a 9.000 su un'unica piastra. Sono disponibili dodici pozzetti, ognuno con 750 micropozzetti, sulla SP5D, garantendo così un rendimento molto elevato. (Fonte: Kugelmeiers Ltd.)

SP5D sta per «Spherical Plate 5D»: il nome si riferisce alla struttura 3D del cluster cellulare che cresce nella piastra, al tempo necessario per la coltura come quarta dimensione e alla cosiddetta comunicazione cellula-cellula come quinta dimensione. (Fonte: Kugelmeiers Ltd.)

Le cellule scivolano in quadrati «buchi a piramide» con punta arrotondata e quindi formano ogni volta sfere di uguale dimensione. Questa configurazione porta a una formazione di cluster regolare e senza struttura di supporto, in modo che l'aggregato venga sempre mantenuto al centro della singola micro depressione (buco). (Fonte: Kugelmeiers Ltd.)

Le cellule scivolano in quadrati «buchi a piramide» con punta arrotondata e formano così ogni volta sfere di dimensioni uguali. Questa configurazione porta a una formazione di cluster regolare e senza struttura di supporto, in modo che l'aggregato venga sempre mantenuto al centro della singola micro depressione (buco). (Fonte: Kugelmeiers Ltd.)

L'angolo speciale delle singole cavità permette alle cellule di affondare in numero costante, eliminando così la necessità di una centrifugazione aggiuntiva. La speciale nanocopertura impedisce l'adesione di residui proteici e garantisce uno scorrimento pulito. (Fonte: Kugelmeiers Ltd.)

"Nel corpo umano, le cellule si organizzano in tessuti e organi, cioè crescono tridimensionalmente e non sono semplicemente piatte", spiega Cordula Böttger, specialista in applicazioni nel settore Life Science presso Heidolph Instruments GmbH & Co. KG. "Con una coltura cellulare 3D si può creare un ambiente artificiale in cui le cellule crescono in tutte e tre le dimensioni e possono interagire con l'ambiente circostante. Ciò rende il loro comportamento molto più simile alle condizioni reali nel corpo, consentendo risultati clinicamente più rilevanti." (Fonte: Heidolph Instruments GmbH & Co. KG)

Gli esperimenti di coltura cellulare 3D consentono una simulazione della crescita più vicina ai processi nel corpo umano. Per questo motivo, stanno acquisendo sempre più importanza nelle scienze della vita. Tuttavia, molti design di piastre sono limitati in termini di riproducibilità o del numero massimo di cluster cellulari coltivati in un singolo esperimento. Di conseguenza, la coltura cellulare 3D risulta spesso lunga e costosa per molti laboratori. Per questo motivo, la startup Kugelmeiers Ltd., in collaborazione con Heidolph Instruments GmbH & Co. KG, ha sviluppato la piastra di coltura cellulare SP5D, che supera queste limitazioni. Il suo principio 5D combina le tre dimensioni spaziali con i fattori tempo e comunicazione cellula-cellula: il design speciale permette la coltivazione controllata e rapida di fino a 9.000 cluster uguali su una piastra, consentendo un rendimento maggiore per ciclo. La SP5D è pronta all’uso; non è necessario pre-trattare la piastra né centrifugare dopo la semina. La geometria brevettata e la rivestimento anti-inquinamento di livello clinico garantiscono una crescita uniforme, rendendo i risultati particolarmente precisi e altamente riproducibili. Sono già stati coltivati con successo numerosi tipi di cellule sulla piastra, tra cui cellule staminali umane, cellule staminali embrionali e cellule staminali di topo.

La coltura di cellule in uno spazio tridimensionale sta diventando sempre più uno standard in molti laboratori – in particolare nelle aree della ricerca sulle cellule staminali o della medicina rigenerativa. "Nel corpo umano, le cellule si organizzano in tessuti e organi, cioè crescono tridimensionalmente e non semplicemente in modo piatto", spiega Cordula Böttger, specialista in applicazioni nel settore delle scienze della vita presso Heidolph Instruments GmbH & Co. KG. "Con una coltura cellulare 3D si può creare un ambiente artificiale in cui le cellule crescono in tutte e tre le dimensioni e interagiscono con l’ambiente circostante. Ciò rende il loro comportamento molto più simile alle condizioni reali nel corpo, permettendo risultati clinicamente più rilevanti." In modo ideale, la ricerca può essere resa traslazionale, in modo che le scoperte possano essere tradotte più rapidamente rispetto al passato in misure terapeutiche.

Tuttavia, molte piastre di coltura 3D sono limitate nel numero o nell’uniformità degli spheroididi coltivati, rendendo il metodo meno economico nonostante i suoi vantaggi. Inoltre, ci sono alcune precauzioni da prendere: il materiale di supporto deve essere scelto in modo che gli spheroididi non diventino troppo grandi, altrimenti morirebbero per mancanza di ossigeno a causa dell’assenza di vasi sanguigni. Inoltre, l’interazione tra le cellule durante la fase di crescita dovrebbe avvenire solo tra di loro, per evitare una differenziazione cellulare incontrollata dovuta a segnali errati. L’obiettivo era quindi sviluppare un design di piastra sicuro che elimini questi rischi e allo stesso tempo permetta una scalabilità flessibile e una facile manipolazione. Con la SP5D e la sua geometria brevettata, ora è possibile coltivare un gran numero di spheroididi uniformi – fino a 9.000 su un’unica piastra. Questo design è 400 volte più compatto rispetto alla tecnologia tradizionale di gocce di coltura 3D. La piattaforma è strutturata in modo da aumentare la riproducibilità degli esperimenti successivi, poiché gli esperimenti partono sempre con condizioni di partenza identiche grazie alla bassa variabilità delle dimensioni dei cluster cellulari coltivati.

Geometria tridimensionale con fondi arrotondati

"Il nome SP5D sta per 'Sphericalplate 5D', dove il 5D si riferisce alle cinque dimensioni coinvolte", spiega Böttger. "Si compongono della struttura 3D dei cluster cellulari che crescono sulla piastra, del tempo necessario come quarta dimensione, ridotto grazie a una maggiore resa e a un’applicazione più semplice, e della cosiddetta comunicazione cellula-cellula come quinta dimensione, necessaria per un ambiente fisiologicamente corretto e per bloccare segnali indesiderati." Un’interazione omogenea di questi parametri viene raggiunta anche grazie alla geometria brevettata dei micro-well sulla piastra. Il principio può essere illustrato così: le cellule scivolano in "piramidi" quadrate e arrotondate e formano sempre piccoli agglomerati di dimensioni uguali. Questa struttura porta a una formazione di cluster stabile e regolare, mantenendo l’aggregato o la sfera cellulare sempre al centro della singola cavità micro, cosa che spesso non è possibile con altri design e rende più difficile ottenere cluster identici.

"Su una SP5D sono disponibili dodici pozzi con 750 micro-well ciascuno, garantendo così un’alta resa", spiega Böttger. "L’angolo speciale di ogni cavità permette alle cellule di affondare in numero costante, eliminando così la necessità di centrifugazione aggiuntiva", aggiunge. La speciale rivestitura previene l’adesione di residui proteici e la segnalazione sulla superficie cellulare, impedendo l’attivazione dei recettori sulla parete cellulare con materiali estranei. Le dimensioni geometriche particolari consentono alle cellule di crescere senza superare una dimensione definita, evitando danni ipossici dovuti alla scarsa fornitura di ossigeno.

SP5D – ottimizzata per il lavoro di laboratorio e la medicina traslazionale

L’uso della SP5D pronta all’uso è particolarmente semplice, permettendo di imparare rapidamente come maneggiarla: la coltura non richiede pre-trattamenti, eliminando processi di rivestimento complessi. Anche il cambio del mezzo di coltura è molto comodo grazie alla pipettatura semplice, poiché l’altezza dei micro-well è stata scelta in modo che i cluster cellulari vengano trattenuti. Con un’unica operazione di pipettatura si possono trasferire 750 cluster cellulari, rendendo il processo cento volte più veloce rispetto alle piattaforme di spheroididi singoli. Anche il raccolto avviene rapidamente: poiché le cellule non si attaccano alla superficie, gli spheroididi sono "liberi di galleggiare" e possono essere facilmente rimossi tramite pipettatura dalla piastra SP5D. Inoltre, la piattaforma è compatibile con unità di automazione standard, facilitando l’integrazione della coltura cellulare 3D nei processi di laboratorio esistenti. La scelta di COC (copolimeri di olefina ciclica) come materiale delle piastre garantisce inoltre una imaging in tempo reale con minimo rumore di fondo.

Il livello elevato di standardizzazione e affidabilità rende la SP5D ideale per l’uso in strutture di ricerca ad alta frequenza, che lavorano con molte linee cellulari e sistemi di co-coltura. Alcune delle applicazioni più promettenti, in cui la SP5D è già stata utilizzata con successo, sono le applicazioni in vivo e la ricerca traslazionale. La SP5D offre ai ricercatori molto spazio per scoperte, così come per la coltivazione di materiale di alta qualità per processi successivi. Questo si può osservare facilmente, ad esempio, nella ricerca sul cancro e sulle cellule staminali: "Molti tipi di tumore derivano da cellule staminali, e la nostra piattaforma potrebbe essere utilizzata per ricreare l’ambiente delle cellule tumorali – inclusa la trasmissione dei segnali cellulari e la fisiologia. In questo modo, si potrebbero confrontare, ad esempio, i chemioterapici e determinare il trattamento più efficace per il paziente", riassume Böttger, sottolineando il valore traslazionale della SP5D.