Bioreactor maakt geautomatiseerde langdurige kweek van stamcellen mogelijk

Een vloeistofkringloop transporteert alle vloeistoffen naar de bioreactoren en naar de in het midden geplaatste microscoop. © Fraunhofer ISC / Een vloeistofkringloop transporteert alle gebruikte vloeistoffen naar de bioreactoren en de centraal geplaatste microscoop. © Fraunhofer ISC

Het modulaire, functioneel uitbreidbare incubatorsysteem met geïntegreerde bioreactoren. © Fraunhofer ISC / Het modulaire incubatorsysteem met ingebouwde bioreactoren kan worden uitgebreid met aanvullende functies. © Fraunhofer ISC

Humaan geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSCs) worden beschouwd als veelbelovend instrument in de geneeskunde: Ze moeten in de toekomst de therapie van veel aandoeningen mogelijk maken, zoals neurodegeneratieve ziekten. Het vervaardigen van grote hoeveelheden hiPSCs blijft echter een uitdaging. Onderzoekers van het Fraunhofer-Translatiecentrum voor Regeneratieve Therapieën TLZ-RT aan het Fraunhofer-Instituut voor Siliciumonderzoek ISC hebben nu een bioreactor ontwikkeld waarmee een geautomatiseerde langetermijncultivatie van hiPSCs mogelijk is.

Humaan geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSCs) bieden grote potentie voor de ontwikkeling van celtherapieën, medicijnen en voor ziekteonderzoek. HiPSCs lijken sterk op embryonale stamcellen, maar worden in het laboratorium gekweekt uit volwassen cellen die eerder uit bindweefsel van volwassenen zijn gehaald, en opnieuw geprogrammeerd. Het voordeel: pluripotente stamcellen kunnen potentieel elke cel of elk weefsel produceren dat het lichaam nodig heeft voor zelfherstel. Bovendien is het mogelijk om direct aan de cellen die bij een bepaalde ziekte betrokken zijn, patiënt-specifieke werkzame stoffen te testen.

Om aan de groeiende vraag naar hiPSCs te voldoen en de gestandaardiseerde productie in grotere aantallen mogelijk te maken, heeft een team van onderzoekers van het Fraunhofer ISC in Würzburg in het project SUSI (kort voor Suspensionsinkubator) een dynamische incubator en suspensiebio-reactor ontwikkeld, die geschikt zijn voor langetermijncultivatie van hiPSCs. Deze bieden optimale omstandigheden zoals een temperatuur van 37 °C en een atmosfeer verzadigd met vijf procent CO2, die noodzakelijk zijn voor de celkweek. Een sleutelfunctie van de bioreactor is de impeller of roerder, die de belangrijke taken vervult van mengen, beluchting, warmte- en massatransfer in de glazen container om homogene omstandigheden binnen de cellensuspensie te creëren en zo een schone celvermeerdering mogelijk te maken. »Het welzijn van de cellen staat bij ons voorop. Daarom hebben we de componenten van onze bioreactor ontworpen en geconstrueerd«, zegt Thomas Schwarz, wetenschapper bij het Fraunhofer TLZ-RT. Het is bijvoorbeeld cruciaal welke shear-krachten op de cellen inwerken tijdens het roeren van de cultuur. Met behulp van software-simulaties is het de onderzoekers gelukt om hier de optimale parameters voor de constructie van de impeller en de meest geschikte procesparameters te berekenen, die vervolgens in de bioreactor continu in realtime worden bewaakt met behulp van sensoren. Dit zorgt voor een homogene cellensuspensie – zelfs bij grote aantallen cellen. Het glazen vat dat de impeller huisvest, is schaalbaar.

Celcultuur over een periode van drie maanden

Een vloeistofkringloop, mogelijk gemaakt door een schakeling van vier ventielen, transporteert alle vloeibare oplossingen die nodig zijn voor de processen – bijvoorbeeld het voedingsmedium – in een steriele omgeving. Zo kunnen de hiPSCs volledig automatisch worden vermeerderd en worden menselijke interacties geminimaliseerd. Daarnaast bevat de incubator een door een partner speciaal ontwikkelde microscoop, waarmee de toestand van het voedingsmedium en de cellensuspensie automatisch kunnen worden bewaakt en gecontroleerd op de vorming van ongewenste agglomeraten of cellenclusters. Bovendien maakt het gebruik van kunstmatige intelligentie (AI) de telling van de cellen mogelijk. Tijdens de celkweek analyseert een neuraal netwerk de celgeometrieën. »Ons modulaire, functioneel uitbreidbare systeem onderscheidt zich door zijn flexibiliteit en hoge mate van automatisering en maakt gecontroleerde celbehandeling mogelijk. Door de gesloten kringloop en de automatische vervanging van de vloeistoffen kunnen contaminaties worden voorkomen«, aldus de onderzoeker. In de incubator van het Fraunhofer TLZ-RT kunnen verschillende soorten bioreactors worden ingebouwd, en de uitrusting is individueel aanpasbaar – een mogelijkheid die conventionele incubatoren meestal niet bieden.

Met de bioreactor, die als prototype beschikbaar is, is het de onderzoekers inmiddels gelukt om cellen gedurende drie maanden te cultiveren zonder hun differentiatiepotentieel te verminderen. Het systeem kon zodanig worden aangepast dat verschillende cel differentiatieprocessen uit de culturen mogelijk zijn – een vooruitgang voor de hiPSC-technologie.