Constante startvoorwaarden voor 3D-celkweekmethoden: Een uniek platform maakt het mogelijk om tot 9.000 uniforme en groottedefinieerde sferoïden te cultiveren

Het werken met de kant-en-klare SP5D is bijzonder gebruiksvriendelijk, zodat het omgaan met het platform snel onder de knie is: de kweek vereist geen voorbehandeling. Ook het wisselen van media verloopt zeer comfortabel door eenvoudig pipetteren. (Bron: Kugelmeiers Ltd.)

Met de SP5D en haar gepatenteerde geometrie is het mogelijk om een groot aantal uniforme sferoïden te cultiveren – tot 9.000 op één enkele plaat. Op een SP5D zijn twaalf wells beschikbaar, elk met 750 microwells, wat zorgt voor een zeer hoge opbrengst. (Bron: Kugelmeiers Ltd.)

SP5D staat voor “Spherical Plate 5D”: De naam verwijst naar de 3D-structuur van het celcluster dat in de plaat groeit, de benodigde tijd voor de cultivatie als vierde dimensie en de zogenaamde cel-cel communicatie als vijfde dimensie. (Bron: Kugelmeiers Ltd.)

De cellen glijden in vierkante piramidegaten met afgeronde punt en vormen zo telkens dezelfde grote bolletjes. Deze opbouw zorgt voor een gerüstvrije, regelmatige clustervorming, zodat het aggregaat altijd in het midden van de afzonderlijke micro-inkeping (putje) wordt gehouden. (Bron: Kugelmeiers Ltd.)

De cellen glijden in vierkante piramidegaten met afgeronde punt en vormen zo telkens dezelfde grote bolletjes. Deze opbouw leidt tot een gerüstvrije, regelmatige clustervorming, zodat het aggregaat altijd in het midden van de individuele micro-inkeping (putje) wordt gehouden. (Bron: Kugelmeiers Ltd.)

De speciale hoek van de individuele uitsparingen zorgt ervoor dat de cellen in een gelijkblijvend aantal zinken, zodat een extra centrifugatie overbodig is. De speciale nanobescherming voorkomt dat eiwitresten blijven plakken en garandeert een schoon afglijden. (Bron: Kugelmeiers Ltd.)

„Im menschlichen Körper organisieren sich Zellen in Zellverbänden und Organen, das heißt sie wachsen dreidimensional und sind nicht einfach flach“, erklärt Cordula Böttger, Applikationsspezialistin im Bereich Life Science bei Heidolph Instruments GmbH & Co. KG. „Mit einer 3D-Zellkultur lässt sich eine künstliche Umgebung schaffen, in der Zellen in allen drei Dimensionen wachsen und mit ihrer Umgebung interagieren können. Dadurch wird deren Verhalten viel näher an den realen Bedingungen im Körper nachstellbar, was klinisch relevantere Ergebnisse ermöglicht.“ (Quelle: Heidolph Instruments GmbH & Co. KG)

3D-celkweekexperimenten maken een groeisimulatie mogelijk die dichter bij de processen in het menselijk lichaam ligt. Om die reden winnen ze vooral in de Life Science steeds meer aan belang. Echter, veel platdesigns zijn beperkt in termen van reproduceerbaarheid of het maximale aantal gekweekte celclusters in een proef. Hierdoor is de 3D-celcultivatie voor veel laboratoria tijd- en kostintensief. Daarom heeft het start-up bedrijf Kugelmeiers Ltd., dat samenwerkt met Heidolph Instruments GmbH & Co. KG, de SP5D-celkweekplaat ontwikkeld, die zonder deze beperkingen werkt. Het 5D-principe combineert daarbij de drie ruimtelijke dimensies met de factoren tijd en cel-tot-cel communicatie: Het speciale ontwerp maakt de gecontroleerde, snelle kweek van tot wel 9.000 gelijke clusters op één plaat mogelijk, wat een grotere opbrengst per cyclus mogelijk maakt. De SP5D is direct gebruiksklaar; een voorbehandeling van de plaat en centrifugeren na het zaaien zijn niet nodig. De speciaal ontwikkelde, gepatenteerde geometrie en de unieke non-fouling coating van klinisch niveau garanderen een gelijkmatige groei, waardoor de resultaten bijzonder nauwkeurig en reproduceerbaar zijn. Er zijn al succesvol diverse celsoorten gekweekt in de plaat, waaronder menselijke eiland- en embryonale stamcellen, evenals muizen-stamcellen.

De kweek van cellen in driedimensionale ruimte ontwikkelt zich in veel laboratoria steeds meer tot de standaard – vooral in gebieden zoals stamcelonderzoek of regeneratieve geneeskunde. "In het menselijk lichaam organiseren cellen zich in celverbindingen en organen, dat wil zeggen ze groeien driedimensionaal en zijn niet eenvoudig plat," legt Cordula Böttger uit, applicatiespecialist op het gebied van Life Science bij Heidolph Instruments GmbH & Co. KG. "Met een 3D-celkweek kan een kunstmatige omgeving worden gecreëerd waarin cellen in alle drie de dimensies groeien en met hun omgeving kunnen interageren. Hierdoor wordt hun gedrag veel dichter benaderd door de omstandigheden in het lichaam, wat klinisch relevantere resultaten mogelijk maakt." Idealiter kan het onderzoek translatiegericht worden opgezet, zodat de bevindingen veel sneller dan voorheen kunnen worden vertaald naar therapeutische maatregelen.

Veel 3D-celkweekplaten zijn echter beperkt in het aantal of de uniformiteit van de te kweken sferoïden, wat het proces, ondanks de voordelen, minder economisch maakt voor laboratoria. Daarnaast moet er bij de toepassing rekening mee worden gehouden dat het drager-materiaal zodanig moet zijn dat de sferoïden niet te groot worden, omdat ze anders door gebrek aan zuurstofvoorziening en de afwezigheid van bloedvaten zouden afsterven. Een interactie tussen de cellen tijdens de groeifase zou bovendien alleen onderling moeten plaatsvinden, om oncontroleerbare differentiatie door verkeerde signalen te voorkomen. Daarom was het doel om een veilig platdesign te ontwikkelen dat deze risico's elimineert en tegelijkertijd een flexibele schaalbaarheid en eenvoudige hantering mogelijk maakt. Met de SP5D en haar gepatenteerde geometrie is het nu mogelijk om een groot aantal uniforme sferoïden – tot 9.000 op één enkele plaat – te kweken. Daarmee is het ontwerp 400 keer ruimtebesparender dan de momenteel gangbare 3D-hangdruptechnologie. Het platform is zo opgebouwd dat de reproduceerbaarheid van vervolgexperimenten wordt verhoogd, omdat de experimenten altijd onder identieke uitgangsvoorwaarden starten vanwege de geringe variatie in grootte van de groeiende celclusters.

Drie-dimensionale geometrie met afgeronde bodems

"De aanduiding SP5D staat voor 'Sphericalplate 5D', waarbij de 5D verwijst naar de in totaal vijf betrokken dimensies," legt Böttger uit. "Ze bestaan uit de 3D-structuur van de in de plaat groeiende celclusters, uit de benodigde tijd als vierde dimensie, die wordt gereduceerd door een grotere opbrengst en eenvoudigere toepassing, en uit de zogenaamde cel-cel communicatie als vijfde dimensie, die nodig is voor een fysiologisch juiste omgeving van de cellen en ongewenste signalen onderdrukt." Een homogene interactie tussen deze parameters wordt onder andere bereikt door de gepatenteerde geometrie van de microwells op de plaat. Het principe kan eenvoudig worden geïllustreerd: de cellen glijden in vierkante, afgeronde "piramide-gaten" en vormen zo altijd gelijke grote bolletjes. Deze opbouw leidt tot een geruisloze, regelmatige clustervorming, zodat het aggregaat of de cellenkegel altijd in het midden van de individuele micro-inkeping wordt gehouden. Bij andere ontwerpen is dit vaak niet mogelijk en bemoeilijkt het een identieke clustervorming.

"Op een SP5D zijn twaalf wells beschikbaar, elk met 750 microwells, waardoor een zeer grote opbrengst wordt verzekerd. De speciale hoek van de individuele inkepingen zorgt ervoor dat de cellen in een gelijkblijvend aantal zakken, waardoor een extra centrifugatie overbodig is," aldus Böttger. Tegelijkertijd voorkomt de speciale coating dat eiwitresten blijven plakken en voorkomt het cel-oppervlakte signalering, waardoor activatie van receptoren aan de celwand met niet-verbonden materialen wordt voorkomen. De bijzondere geometrische afmetingen bieden de cellen precies voldoende ruimte om te groeien, zonder een bepaalde grootte te overschrijden die hypoxisch letsel door zuurstoftekort zou veroorzaken.

SP5D – geoptimaliseerd voor dagelijks laboratoriumgebruik en translationele geneeskunde

Het werken met de kant-en-klare SP5D is bijzonder gebruiksvriendelijk, waardoor de omgang met het platform snel onder de knie is: de kweek vereist geen voorbehandeling, uitgebreide coating-processen komen te vervallen. Ook het media-wisselproces verloopt zeer comfortabel door eenvoudig pipetteren, omdat de hoogte van de microwells zo is gekozen dat de celclusters worden teruggehouden. Zo worden met één pipetteerbeweging 750 celclusters geleverd, wat honderd keer sneller is dan bij afzonderlijke sferoïdenplatforms. Ook het oogsten verloopt snel: doordat de cellen niet aan het oppervlak hechten, zijn de sferoïden "vrij zwevend" en kunnen ze gemakkelijk worden verwijderd door weg te pipetteren uit de SP5D. Bovendien is het platform compatibel met standaard automatiseringssystemen, waardoor 3D-celkweek gemakkelijker kan worden geïntegreerd in bestaande laboratoriumprocessen. De keuze voor COC (Cycloolefine-Copolymeren) als plaatmateriaal garandeert daarbij real-time beeldvorming met zo min mogelijk achtergrondruis.

Het hoge niveau van standaardisatie en betrouwbaarheid maakt de SP5D geschikt voor gebruik in hoogfrequente onderzoeksinstellingen die werken met een breed scala aan cellijnen en co-kweeksystemen. Enkele van de meest veelbelovende toepassingen waarin de SP5D al succesvol wordt ingezet, zijn in-vivo toepassingen en translationeel onderzoek. De SP5D biedt wetenschappers veel ruimte voor ontdekkingen, evenals voor de kweek van hoogwaardig onderzoeksmateriaal voor latere processen. Dit is bijvoorbeeld goed zichtbaar in kanker- en stamcelonderzoek: "Veel kankersoorten ontstaan uit stamcellen, waarbij ons platform kan worden gebruikt om de omgeving van kankercellen na te bootsen – inclusief cel-signaaloverdracht en fysiologie. Op deze manier kunnen bijvoorbeeld chemotherapiemiddelen worden vergeleken en de meest effectieve behandeling voor de patiënt worden vastgesteld," vat Böttger de translationele waarde van de SP5D samen.