Łańcuchy procesów izolacji i analizy: od pojedynczej komórki do organoidu

Sferoid fibroblastów 3T3 z barwionym aktyną do transferu LIFT, hodowany w mikrodołkach wyciętych laserowo. © Fraunhofer ILT, Aachen / Actin stained 3T3 fibroblast spheroid for LIFT transfer cultured in laser fabricated micro wells. © Fraunhofer ILT, Aachen, Niemcy

Równoległa, ciągła perfuzja czterech systemów organ-on-chip. © Fraunhofer ILT, Aachen / Równoległa, ciągła perfuzja czterech systemów organ-on-chip. © Fraunhofer ILT, Aachen, Niemcy

Badacze z Instytutu Fraunhofer dla Technologii Laserowych ILT pracują nad nowymi narzędziami do przygotowania i analizy pojedynczych komórek i ich skupisk. System »Liftoscope« został opracowany jako narzędzie do sortowania komórek, które pozwala na ich późniejszą hodowlę, precyzyjną i oszczędzającą komórki analizę oraz transfer. Metody druku 3D bioprinting zyskują coraz większą popularność w badaniach biotechnologicznych: dzięki rozwojowi mikrofluidycznych systemów organ-on-a-Chip, różne komórki mogą być definiowane i powtarzalnie rozmieszczane w sztucznych tkankach. Wyniki badań zaprezentują eksperci z Fraunhofer ILT w dniach od 21 do 24 czerwca na targach analytica w Monachium.

Przyszłościowe, biotechnologiczne rozwiązania i innowacyjna technologia laboratoryjna czekają na około 35 000 odwiedzających na targach analytica, światowym wydarzeniu w dziedzinie technologii laboratoryjnych, analityki i biotechnologii. W pierwszej edycji od początku pandemii koronawirusa, oprócz ponad 700 wystawców, obecne jest również Fraunhofer ILT z kilkoma tematami.

Analiza, izolacja, transfer

Produkcja kultur komórkowych wymaga wielu różnych etapów pracy, podczas których komórki są hodowane i badane. Hodowla komórek jest bardzo czasochłonna i podatna na błędy ze względu na ręczną pracę w konwencjonalnych metodach. Fraunhofer ILT prezentuje dwa projekty związane z hodowlą komórek: w ramach projektu »Liftoscope« Fraunhofer ILT wspólnie z Instytutem Technologii Produkcji IPT opracowują delikatną, zautomatyzowaną metodę analizy i izolacji komórek.

Najpierw płytę do hodowli komórek skanuje wysokorozdzielcze mikroskop. Na podstawie danych obrazowych można za pomocą specjalnie opracowanego algorytmu określić morfologię rozpoznanych komórek. Aby następnie wyizolować odpowiedni materiał komórkowy, naukowcy korzystają z technologii laserowego transferu wstecznego, znanej jako LIFT: kultury komórkowe znajdują się na płycie na specjalnym żelu hydrożelowym. Laser skupia się bardzo lokalnie pod wybranymi komórkami w żelu, generując precyzyjnie dobraną ilość energii cieplnej. Krótki impuls powoduje rozprężenie żelu i przenosi komórki na znajdujący się nad nim podkład do hodowli, na którym są dalej hodowane.

Całkowicie zautomatyzowany proces analizy i izolacji można łatwo zintegrować z dowolnym laboratorium. Dzięki modułowej konstrukcji jest on wszechstronnie wykorzystywany i może być stosowany w istniejących mikroskopach. Do podłoża komórkowego nadaje się na przykład standardowa płytka mikrotitracyjna. Metoda ta jest nie tylko oszczędna czasowo, ale także kosztowo.

Kolejnym wyzwaniem jest transfer komórek przyczepnych: »Poszukujemy jeszcze odpowiedniego hydrożelu, który poprawiłby wskaźnik przeżywalności komórek«, mówi Richard Lensing, naukowiec z Fraunhofer ILT, grupa Biofabrikation. Aby jeszcze bardziej usprawnić ten proces, naukowcy z Fraunhofer IPT i ILT pracują również nad szybszym i bardziej szczegółowym algorytmem, który na podstawie różnych cech będzie mógł klasyfikować i selekcjonować komórki.

Organ-on-a-Chip

Nowe podejście oferuje również druk 3D: bioprinting umożliwia tworzenie sztucznych tkanek i przyczynia się do unikania testów na zwierzętach oraz do lepszej diagnostyki terapeutycznej. Naukowcy z Fraunhofer ILT prezentują na analytica kilka mikrofluidycznych systemów organ-on-a-Chip, wielkości pendrive’a.

Celem bioprintingu 3D jest rozmieszczenie komórek w dokładnie określonej i powtarzalnej konfiguracji przestrzennej, tworząc sztuczne tkanki. Hydrożele wypełnione komórkami, tzw. bioinks, są drukowane metodą ekstrudowania. W takich kulturach komórki rozwijają się niemal tak, jak w ciele. Jednocześnie naukowcy mogą łatwiej ingerować i obserwować proces. W połączeniu z mikrofluidycznym układem chipowym, zbudowany jest organ-on-a-Chip z wieloma typami komórek, a funkcje komórek są analizowane. Testy mogą być precyzyjnie sterowane i zapewniają prawdopodobnie lepsze i bardziej dokładne wyniki w badaniach wpływu bakterii, wirusów i leków na in vitro wyhodowane tkanki.