Procesketens voor isolatie en analyse: van enkele cellen tot orgaanoid

Actine gekleurde 3T3 fibroblastenspheroid voor de LIFT-overdracht, gekweekt in lasergefabriceerde microputjes. © Fraunhofer ILT, Aken / Actine gekleurde 3T3 fibroblastenspheroid voor LIFT-overdracht, gekweekt in lasergefabriceerde microputjes. © Fraunhofer ILT, Aken, Duitsland

Parallelle, continue perfusie van vier Organ-on-Chip systemen. © Fraunhofer ILT, Aachen

De onderzoekers van het Fraunhofer-Institut voor Lasertechniek ILT werken aan nieuwe hulpmiddelen voor het leveren en analyseren van enkele cellen en celverbindingen. Met de »Liftoscope« is een systeem ontwikkeld voor celsortering voor daaropvolgende kweek, dat biomaterialen nauwkeurig en celsparend kan analyseren en overbrengen. 3D-bioprinting-methoden krijgen steeds meer ingang in biotechnologisch onderzoek: door de ontwikkeling van microfluïdumische Organ-on-a-Chip-systemen moeten verschillende cellen gedefinieerd en reproduceerbaar worden gerangschikt tot kunstmatige weefsels. De onderzoeksresultaten presenteren de experts van het Fraunhofer ILT van 21 tot 24 juni op de analytica in München.

Toekomstgerichte, biotechnologische oplossingen en innovatieve laboratoriumtechniek wachten op de ongeveer 35.000 bezoekers op de analytica, de wereldwijde vakbeurs voor laboratoriumtechniek, analytiek en biotechnologie. In de eerste editie sinds het begin van de coronapandemie is, naast meer dan 700 exposanten, ook het Fraunhofer ILT met meerdere onderwerpen vertegenwoordigd.

Analyseren, isoleren, overbrengen

Het maken van celkweken vereist veel verschillende stappen, waarin de cellen worden gekweekt en onderzocht. De celkweek is door handmatig werk in conventionele procedures zeer tijdrovend en foutgevoelig. Het Fraunhofer ILT presenteert twee projecten over celkweek: In het samenwerkingsproject »Liftoscope« ontwikkelt het Fraunhofer ILT samen met het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT een zachte, geautomatiseerde methode om cellen te analyseren en te isoleren.

Daartoe wordt eerst de cellenplaat gescand met een high-speed microscoop. Aan de hand van de beeldgegevens kan de morfologie van de gedetecteerde cellen worden vastgesteld met een speciaal ontwikkelde algoritme. Om er daarna alleen het geschikte celmateriaal uit te isoleren, maken de onderzoekers gebruik van de technologie van lasergeïnduceerde voorwaartse transfer, kortweg LIFT: De celkweken bevinden zich op de cellenplaat in een speciaal hydrogel. Een laser richt zeer lokaal onder de geselecteerde cellen in het gel en genereert een precies afgestemde hoeveelheid warmte-energie. Door de korte impuls zet het gel uit en brengt de cellen over op een daarboven ligend celkweekdrager, waarop ze verder gekweekt kunnen worden.

De volledig geautomatiseerde analyse- en isolatiemethode kan eenvoudig in elke laboratoriumomgeving worden geïntegreerd. Door het modulaire ontwerp is het veelzijdig inzetbaar en kan het in bestaande microscopen worden gebruikt. Als drager voor de cellen is bijvoorbeeld een gangbare microtiterplaat geschikt. Hierdoor is de methode niet alleen tijdsbesparend, maar ook kosteneffectief.

Een andere uitdaging is het overbrengen van adherent groeiende cellen: »Hier zoeken we nog naar het geschikte hydrogel om de overlevingskans van de cellen te verbeteren«, zegt Richard Lensing, wetenschapper bij het Fraunhofer ILT, groep Biofabricatie. Om de methode nog efficiënter te maken, werken de onderzoekers van het Fraunhofer IPT en ILT ook aan een snellere en meer gedifferentieerde algoritme dat cellen kan classificeren en selecteren op basis van verschillende kenmerken.

Organ-on-a-Chip

Een nieuwe aanpak biedt ook 3D-printing: bioprinting maakt de opbouw van kunstmatige weefsels mogelijk en draagt bij aan het voorkomen van dierproeven en verbeterde therapie-diagnostiek. De onderzoekers van het Fraunhofer ILT tonen op de analytica verschillende microfluïdumische Organ-on-a-Chip-systemen ter grootte van een USB-stick.

Het doel van 3D-bioprinting is om cellen in exact gedefinieerde en reproduceerbare ruimtelijke configuraties te rangschikken tot kunstmatige weefsels. Cellen gevulde hydrogelen, zogenaamde bio-inks, worden extrusie-gebaseerd geprint. Bij dergelijke culturen ontwikkelen de cellen zich bijna zoals ze in het lichaam doen. Tegelijkertijd kunnen de onderzoekers gemakkelijker ingrijpen en het proces observeren. In combinatie met een microfluïdumisch chipontwerp wordt een Organ-on-a-Chip opgebouwd uit meerdere celtypen en wordt de functie van de cellen geanalyseerd. De tests kunnen doelgericht worden gestuurd en bieden naar verwachting betere en meer precieze resultaten bij het onderzoeken van de effecten van bacteriën, virussen en medicijnen op in vitro-weefsels.