Stałe warunki początkowe dla metod hodowli komórek 3D: Unikalna platforma umożliwia hodowlę do 9 000 jednolitych i kontrolowanych pod względem rozmiaru sferoidów

Praca z gotową do użycia SP5D jest szczególnie przyjazna dla użytkownika, dzięki czemu obsługa platformy jest szybko opanowana: Hodowla nie wymaga żadnego wstępnego przygotowania. Zmiana mediów również jest bardzo wygodna dzięki prostemu pipetowaniu. (Źródło: Kugelmeiers Ltd.)

Z urządzeniem SP5D i jego opatentowaną geometrią możliwe jest hodowanie dużej liczby jednolitych sferoidów – do 9 000 na jednej płytce. Na jednej SP5D znajduje się dwanaście dołków, z których każdy ma 750 mikrodołków, co zapewnia bardzo wysoką wydajność. (Źródło: Kugelmeiers Ltd.)

SP5D oznacza „Spherical Plate 5D”: Nazwa odnosi się do 3D struktury skupiska komórek rosnącego na płytce, czasu potrzebnego na hodowlę jako czwartej wymiaru oraz tak zwanego komunikowania się komórek jako piątego wymiaru. (Źródło: Kugelmeiers Ltd.)

Komórki ślizgają się w kwadratowe „dziury piramidy” z zaokrąglonym czubkiem, tworząc za każdym razem kule o tej samej wielkości. Ta konstrukcja prowadzi do bezrusztowej, regularnej formacji skupisk, dzięki czemu agregat jest zawsze utrzymywany w centrum pojedynczego mikrozagłębienia (dołka). (Źródło: Kugelmeiers Ltd.)

Komórki ślizgają się w kwadratowe „piramidowe otwory” z zaokrąglonym czubkiem, tworząc za każdym razem kule o tej samej wielkości. Ta konstrukcja prowadzi do bezrusztowej, regularnej formacji skupisk, dzięki czemu agregat jest zawsze utrzymywany w centrum poszczególnej mikro-wcięcie (rowka). (Źródło: Kugelmeiers Ltd.)

Specjalny kąt poszczególnych wgłębień umożliwia opadanie komórek w stałej liczbie, eliminując konieczność dodatkowego wirowania. Specjalne nanowytłoczenie zapobiega przyleganiu resztek białek i zapewnia czyste zsuwanie się. (Źródło: 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)

Eksperymenty z trójwymiarową kulturą komórek pozwalają na symulację wzrostu, która jest bliższa procesom zachodzącym w ludzkim ciele. Z tego powodu zyskują one coraz większe znaczenie, szczególnie w naukach przyrodniczych. Jednak wiele projektów płyt do hodowli jest ograniczonych pod względem powtarzalności lub maksymalnej liczby wyhodowanych skupisk komórek w jednym eksperymencie. W efekcie trójwymiarowa hodowla komórek jest dla wielu laboratoriów czasochłonna i kosztowna. Dlatego start-up, Kugelmeiers Ltd., współpracujący z Heidolph Instruments GmbH & Co. KG, opracował płytę do hodowli komórek SP5D, która nie ma tych ograniczeń. Jej zasada 5D łączy trzy wymiary przestrzenne z czynnikami czasowymi i komunikacją komórek: Specjalny design umożliwia kontrolowaną, szybką hodowlę do 9 000 równych skupisk na jednej płycie, co pozwala na większy plon w jednym cyklu. SP5D jest gotowa do użycia od razu; pomijane są wstępne przygotowania płyty i wirowanie po zasiewie. Specjalnie opracowana, opatentowana geometria oraz unikalna powłoka klinicznego stopnia non-fouling zapewniają równomierny wzrost, dzięki czemu wyniki są szczególnie precyzyjne i wysoce powtarzalne. Już z powodzeniem wyhodowano na niej liczne gatunki komórek, w tym ludzkie komórki wyspowe i komórki macierzyste zarodkowe, a także komórki macierzyste myszy.

Hodowla komórek w przestrzeni trójwymiarowej staje się coraz bardziej standardem w wielu laboratoriach – szczególnie w dziedzinach takich jak badania nad komórkami macierzystymi czy medycyna regeneracyjna. „W ludzkim ciele komórki organizują się w tkanki i narządy, czyli rosną trójwymiarowo i nie są po prostu płaskie,” wyjaśnia Cordula Böttger, specjalistka ds. aplikacji w dziedzinie nauk przyrodniczych w Heidolph Instruments GmbH & Co. KG. „Za pomocą trójwymiarowej kultury komórek można stworzyć sztuczne środowisko, w którym komórki rosną we wszystkich trzech wymiarach i mogą wchodzić w interakcje ze swoim otoczeniem. Dzięki temu ich zachowanie jest znacznie bliższe warunkom panującym w ciele, co umożliwia uzyskanie wyników o większej wartości klinicznej.” W idealnym przypadku badania mogą być prowadzone w sposób translacyjny, co pozwala na znacznie szybsze niż dotąd przekładanie wyników na działania terapeutyczne.

Jednak wiele płyt do trójwymiarowej hodowli komórek jest ograniczonych pod względem liczby lub jednorodności hodowanych sferoidów, co mimo zalet metody czyni ją mniej opłacalną dla laboratoriów. Ponadto podczas stosowania należy zwrócić uwagę na kilka kwestii: materiał nośnikowy musi być tak dobrany, aby sferoidy nie rosły zbyt duże, ponieważ w przeciwnym razie mogłyby obumrzeć z powodu braku dostatecznego zaopatrzenia w tlen, wynikającego z braku naczyń krwionośnych. Interakcje między komórkami podczas fazy wzrostu powinny odbywać się wyłącznie między nimi, aby zapobiec niekontrolowanej różnicowaniu się komórek pod wpływem nieprawidłowych sygnałów. Dlatego celem było opracowanie bezpiecznego projektu płyty eliminującego te ryzyko, a jednocześnie umożliwiającego elastyczne skalowanie i łatwą obsługę. Dzięki SP5D i jej opatentowanej geometrii możliwe jest hodowanie dużej liczby jednorodnych sferoidów – do 9 000 na jednej płycie. Projekt ten jest 400 razy bardziej oszczędny w przestrzeń niż obecnie stosowana technologia 3D z kroplami. Platforma została zaprojektowana tak, aby zwiększyć powtarzalność kolejnych prób, ponieważ eksperymenty rozpoczynają się zawsze w tych samych warunkach ze względu na niewielkie zróżnicowanie wielkości wyhodowanych skupisk komórek.

Trójwymiarowa geometria z zaokrąglonymi dnem

„Nazwa SP5D oznacza „Sphericalplate 5D”, gdzie 5D odnosi się do pięciu zaangażowanych wymiarów,” wyjaśnia Böttger. „Są one składnikami struktury 3D rosnących na płycie skupisk komórek, czasu jako czwartego wymiaru, który jest skrócony dzięki większej wydajności i prostszej obsłudze, oraz komunikacji komórek jako piątego wymiaru, niezbędnego do stworzenia fizjologicznie poprawnego środowiska komórek i wyeliminowania niepożądanych sygnałów.” Harmonijne współdziałanie tych parametrów osiągane jest m.in. dzięki opatentowanej geometrii mikrodołków na płycie. Zasada ta może być uproszczona w następujący sposób: komórki ślizgają się w kwadratowe, zaokrąglone „piramidowe dziurki” i tworzą zawsze równe kuleczki. Taka konstrukcja prowadzi do bezpiecznego, regularnego tworzenia skupisk, dzięki czemu agregat lub kula komórkowa zawsze znajduje się w centrum pojedynczego mikrodołka. W innych projektach jest to często trudne do osiągnięcia, co utrudnia uzyskanie identycznych skupisk.

„Na jednej płycie SP5D dostępnych jest dwanaście dołków, z których każdy zawiera 750 mikrodołków, co zapewnia bardzo dużą wydajność. Specjalny kąt nachylenia każdego zagłębienia powoduje, że komórki opadają w równych ilościach, eliminując konieczność dodatkowego wirowania,” wyjaśnia Böttger. „Jednocześnie specjalna powłoka zapobiega przyczepianiu się resztek białek i sygnalizacji powierzchni komórek, uniemożliwiając aktywację receptorów na ścianie komórki z materiałami obcymi. Szczególne wymiary geometryczne pozwalają komórkom na wzrost do określonego rozmiaru, nie przekraczając go, co zapobiega uszkodzeniom hypoksycznym wynikającym z niedoboru tlenu.”

SP5D – zoptymalizowana do codziennej pracy w laboratorium i medycyny translacyjnej

Praca z gotową do użycia platformą SP5D jest szczególnie przyjazna dla użytkownika, dzięki czemu obsługa platformy jest szybka do opanowania: hodowla nie wymaga wcześniejszej obróbki, pomijane są czasochłonne procesy powlekania. Wymiana mediów jest bardzo wygodna dzięki prostemu pipetowaniu, ponieważ wysokość mikrodołków została dobrana tak, aby skupiska komórek nie wypływały podczas pipetowania. W ten sposób za pomocą jednego ruchu pipety można załadować 750 skupisk komórek, co jest sto razy szybsze niż w przypadku pojedynczych platform sferoidów. Zbiór komórek jest również szybki: ponieważ sferoidy nie przylegają do powierzchni, są „pływające” i można je łatwo pobrać przez odpipetowanie z płyty SP5D. Ponadto platforma jest kompatybilna z standardowymi urządzeniami automatyzującymi, co ułatwia integrację trójwymiarowej hodowli komórek z istniejącymi procesami laboratoryjnymi. Wybór materiału płyty z COC (kopolimer cykloolefinowy) zapewnia obrazowanie w czasie rzeczywistym przy możliwie najmniejszym szumie tła.

Wysoki poziom standaryzacji i niezawodności predysponuje SP5D do zastosowań w wysokospecjalistycznych instytucjach badawczych, które pracują z wieloma liniami komórkowymi i systemami współhodowli. Niektóre z najbardziej obiecujących zastosowań, w których SP5D już odnosi sukcesy, to zastosowania in vivo i badania translacyjne. SP5D daje naukowcom dużo przestrzeni do odkryć, a także do hodowli wysokiej jakości materiału badawczego do dalszych procesów. Dobrym przykładem jest badanie nowotworów i komórek macierzystych: „Wiele rodzajów nowotworów wywodzi się z komórek macierzystych, a nasza platforma mogłaby posłużyć do odtworzenia środowiska komórek nowotworowych – w tym sygnalizacji komórkowej i fizjologii. W ten sposób można by porównywać leki chemioterapeutyczne i ustalić najbardziej skuteczne leczenie dla pacjenta,” podsumowuje Böttger, podkreślając translacyjny potencjał SP5D.