Bioreaktor umożliwia zautomatyzowaną długoterminową hodowlę komórek macierzystych

Obieg cieczy transportuje wszystkie płyny do bioreaktorów i do umieszczonego centralnie mikroskopu. © Fraunhofer ISC / Obieg cieczy transportuje wszystkie używane płyny do bioreaktorów i do umieszczonego centralnie mikroskopu. © Fraunhofer ISC

Modułowy, funkcjonalnie rozszerzalny system inkubatorów z wbudowanymi bioreaktorami. © Fraunhofer ISC / Modułowy system inkubatorów z wbudowanymi bioreaktorami można rozbudować o dodatkowe funkcje. © Fraunhofer ISC

Humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSCs) uważane są za obiecujące narzędzie w medycynie: w przyszłości mają umożliwić terapię wielu schorzeń, takich jak choroby neurodegeneracyjne. Jednak wciąż produkcja dużych ilości hiPSCs stanowi wyzwanie. Naukowcy z Fraunhofer-Translational Center for Regenerative Therapies TLZ-RT w Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC opracowali bioreaktor, który umożliwia zautomatyzowaną długoterminową kulturę hiPSCs.

Humane indukowane pluripotente komórki macierzyste (hiPSCs) oferują duży potencjał w rozwoju terapii komórkowych, leków oraz w badaniach nad chorobami. HiPSCs są bardzo podobne do komórek macierzystych zarodkowych, jednak są hodowane w laboratorium z dorosłych komórek, które wcześniej pobrano z tkanki łącznej dorosłych. Ich reprogramowanie i hodowla to ich główne zalety. Pluripotentne komórki macierzyste mogą potencjalnie produkować każdą komórkę lub tkankę, którą organizm potrzebuje do samoleczenia. Dodatkowo możliwe jest testowanie potencjalnych leków bezpośrednio na komórkach, które są dotknięte daną chorobą, w sposób spersonalizowany.

Aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na hiPSCs i umożliwić ich standaryzowaną produkcję na większą skalę, zespół badawczy z Fraunhofer ISC w Würzburgu w ramach projektu SUSI (skrót od Suspensionsinkubator) opracował dynamiczny inkubator i bioreaktor zawiesinowy, które nadają się do długoterminowej kultury hiPSCs. Zapewniają one optymalne warunki, takie jak temperatura 37°C i atmosfera nasycona pięcioma procentami CO2, niezbędne do hodowli komórek. Kluczowym elementem bioreaktora jest impeller, czyli mieszadło, które pełni ważne funkcje mieszania, napowietrzania oraz wymiany ciepła i masy w szklanym naczyniu, zapewniając jednorodne warunki w zawiesinie komórkowej i umożliwiając czystą proliferację komórek. „Dobro komórek jest dla nas najważniejsze. Dlatego zaprojektowaliśmy i skonstruowaliśmy komponenty naszego bioreaktora”, mówi Thomas Schwarz, naukowiec z Fraunhofer TLZ-RT. Ważne jest na przykład, jakie siły ścinające działają na komórki podczas mieszania kultur. Dzięki symulacjom komputerowym naukowcom udało się obliczyć optymalne parametry konstrukcji mieszadła oraz najbardziej odpowiednie parametry procesu, które są następnie ciągle monitorowane w czasie rzeczywistym za pomocą sensorów w bioreaktorze. To zapewnia jednorodną zawiesinę komórkową – nawet przy dużej ilości komórek. Szklane naczynie, które obejmuje impeller, jest skalowalne.

Kultury komórkowe trwające ponad trzy miesiące

Cyrkulacja płynu, umożliwiona przez układ czterech zaworów, transportuje wszystkie płynne roztwory niezbędne do procesów – na przykład medium odżywcze – w sterylnym środowisku. Dzięki temu hiPSCs mogą być hodowane automatycznie, minimalizując wpływ ludzkich interakcji. Ponadto inkubator wyposażony jest w specjalnie opracowany wspólnie z partnerem mikroskop, który automatycznie monitoruje stan medium odżywczego i zawiesiny komórkowej oraz sprawdza powstawanie niepożądanych aglomeratów lub skupisk komórek. Dodatkowo zastosowanie sztucznej inteligencji umożliwia liczenie komórek. Podczas hodowli komórkowej sieć neuronowa analizuje geometrie komórek. „Nasz modułowy, funkcjonalnie rozszerzalny system wyróżnia się dużą elastycznością i wysokim stopniem automatyzacji, umożliwiając kontrolowaną obsługę komórek. Dzięki zamkniętemu obiegowi i automatycznej wymianie komponentów fluidycznych można uniknąć zanieczyszczeń”, wyjaśnia naukowiec. Do inkubatora Fraunhofer TLZ-RT można wbudować różne typy bioreaktorów, a wyposażenie jest indywidualnie dostosowywalne – to możliwość, której zwykłe inkubatory zazwyczaj nie oferują.

Z bioreaktora, który jest obecnie prototypem, naukowcom udało się już hodować komórki przez ponad trzy miesiące, nie obniżając ich potencjału różnicowania. System został tak dostosowany, aby umożliwić różne różnicowania komórek z kultur – co stanowi postęp w technologii hiPSC.