Basada en el chip tridimensional de cultivo celular en perfundido Micro-biorreactores
May 21st, 2008
Describimos una plataforma basada en el chip para el cultivo en tres dimensiones de las células de micro-biorreactores. Un chip puede albergar hasta 10 millones de euros. células que pueden ser cultivadas bajo condiciones definidas con precisión en lo que respecta al flujo de fluidos, etc tensión de oxígeno en un asa estéril, cerrado de circulación.
Hola, soy Eric Gottwald y soy científico investigador en el Instituto de Interfaces Biológicas del Instituto de Tecnología Ware. Y hoy me gustaría presentarles nuestro sistema micro bioactivo perfundido basado en chip. Antes de que podamos usar el chip en aplicaciones de cultivo celular, tenemos que hidrolizar el polímero y tenemos que reducir la tasa del área microestructurada.
Esto se logra simplemente sumergiendo el chip en diferentes concentraciones de isopropanol, comenzando con 100%Estoy sumergiendo el chip solo unos segundos en cada concentración y el paso final es solo agua. Después, se seca el chip y finalmente tenemos que recubrir el chip con un colágeno, una solución para facilitar la adhesión de las células al polímero. Esto se hace goteando solo unas gotas de colágeno, una solución en la parte superior del área microestructurada, y en este estado, el chip se incuba a cuatro grados centígrados durante la noche.
Después de la incubación nocturna con la solución de colágeno uno, se retira la solución y el chip se lava con PBS estéril. Después, también, se retira el PBS y el chip ya está listo para la inoculación de las células. Ahora vamos a inocular la nave celular con una suspensión de células individuales, y esto se hace simplemente colocando 150 microlitros de suspensión celular sobre el área microestructurada. Después de la deposición de las células, el chip se incuba durante tres horas a 37 grados en una incubadora.
Después del período de incubación de tres horas, el chip se retira de la incubadora y ahora está listo para la inserción en el ector. Para ello, se extrae el ector de su embalaje estéril y se consigue la esterilidad mediante la irradiación gamma de esta lámina transparente. Así que solo tenemos que abrir el paquete y quitar el ector.
Lo que haremos a continuación es insertar la parte superior de la botella en este depósito de medio para que podamos desmontar la carcasa del biorreactor para la inserción del chip. Después de haber abierto la carcasa del biorreactor, ahora podemos insertar el chip, lo que se logra simplemente colocando el chip en la ranura de la carcasa del biorreactor y ahora se puede volver a ensamblar el bactor. Lo que tenemos que hacer finalmente es que tenemos que conectar los filtros estériles al depósito de medio y a un puerto de muestreo estéril.
Para la medición de la tensión real de oxígeno en el circuito de circulación cerrado, insertaremos dos sensores de oxígeno simplemente montándolos entre estos dos conectores. El bactor ya está listo para ser llenado con medio de cultivo. El sistema bactor ya está listo para ser llenado con medio de cultivo celular, y esto se logra simplemente conectando el circuito de circulación cerrado a la bomba de rodillos.
Con esto, al mismo tiempo, disminuiremos toda la circulación de bactores. Como puedes ver aquí en la ventana de Ector, puedes ver el medio que sube desde abajo subiendo y subiendo, y dejando al bactor en la parte superior. Antes de colocar el sistema Bactor en la incubadora, controlamos el llenado sin burbujas del circuito de circulación.
Ahora el sistema está completamente lleno de medio de cultivo celular y podemos transferir el biorreactor a la incubadora. Ahora colocaremos el birector en la cámara de incubación. Y para esto, al principio, el birector está conectado a la bomba de rodillos, como ya ha visto poco antes, y ahora el ector se perfunde activamente por este medio de la botella.
Y para mantener la concentración de oxígeno ambiental, conectamos el depósito de medio al suministro de gas. Y finalmente, conectaremos dos sensores de oxígeno a la circulación para monitorear en línea la tensión de oxígeno en el sistema. Ahora la instalación se ha completado y puede ejecutarse siempre que haya diseñado el experimento.
Una de las herramientas más potentes durante el análisis de las funciones organotípicas de las células dentro de los contenedores MicroCon es el microscopio de barrido láser, que puedes ver aquí. El microscopio de barrido láser nos da la oportunidad de examinar cada uno de los envases de MicroCon sin destruirlo. Y debido a que los contenedores MicroCon o el chip se pueden usar para los métodos convencionales de inmunofluorescencia de tinción inmunológica, podemos detectar todo tipo de marcadores y funciones organotípicas dentro de los microcontenedores.
Como se puede ver aquí en la animación de este chip, la parte inferior está completamente llena de celdas, así como las paredes del contenedor MicroCon. Tenemos muchas células que están bastante vivas, y tenemos muy, muy pocas células muertas. La siguiente imagen muestra que podemos detectar todo tipo de funciones organotípicas dentro del contenedor MicroCon.
Como, por ejemplo, para los hepatocitos, la producción de albúmina o la E podría escuchar una expresión en las células, que se puede ver aquí muy bien en la superposición. El núcleo está teñido de azul. El eco en este documento se tiñe de verde, y la albúmina se expresa o se tiñe en rojo.
Y como se puede ver aquí, todas las funciones organotípicas que se esperan de los hepatocitos se expresan muy bien en este tipo de cultivo 3D. Además, hemos visto otro marcador de hepatocitos, y este fue la citoqueratina 18, y esta imagen muestra que la citoqueratina 18 también se expresa muy bien en ese tipo de culturas. Y espero que esto te convenza de que este tipo de funciones organotípicas también podrían ser útiles para otros cultivos organotípicos.
Una vez finalizado el experimento Biore, el chip se puede utilizar para el aislamiento de todo tipo de componentes celulares, como por ejemplo, el ARN total. Como pueden ver aquí, aquí les mostramos la ingesta de ARN total, que se aisló del sistema del biorreactor. Este ARN total se puede utilizar para aplicaciones posteriores como, por ejemplo, PCR en tiempo real o, como se puede ver aquí, análisis de microarrays.
Además, las células intactas se pueden aislar del sistema y esas células se pueden utilizar para el análisis de citometría de flujo convencional. Como pueden ver aquí, espero que podamos mostrarles que el sistema podría ser útil para todo tipo de aplicaciones en las que se requieran reacciones organotípicas y que el sistema podría ser útil para todo ese tipo de aplicaciones que no hemos considerado hasta ahora, como por ejemplo, las aplicaciones con células madre.
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Visión general
Este artículo presenta una plataforma basada en chips diseñada para el cultivo tridimensional de células en micro-biorreactores. El sistema permite el cultivo de hasta 10 millones de células en condiciones controladas dentro de un circuito cerrado estéril.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Cultivo celular
- Tecnología de micro-biorreactores
- Biotecnología
Antecedentes
- Los micro-biorreactores permiten un control preciso sobre los entornos de cultivo celular.
- Los cultivos celulares tridimensionales pueden imitar mejor las condiciones in vivo.
- La hidrólisis de polímeros es esencial para la preparación del chip.
- El recubrimiento de colágeno mejora la adhesión celular al área microestructurada.
Propósito del estudio
- Desarrollar un sistema basado en chips para el cultivo celular eficiente.
- Proporcionar una plataforma para estudiar las respuestas celulares en un entorno controlado.
- Facilitar el cultivo celular de alta densidad en un formato compacto.
Métodos utilizados
- Hidrólisis del chip de polímero usando diferentes concentraciones de isopropanol.
- Secado y recubrimiento del chip con solución de colágeno.
- Incubación del chip recubierto a bajas temperaturas para promover la adhesión celular.
- Utilización de un circuito cerrado para condiciones estériles.
Resultados principales
- El chip soporta exitosamente el cultivo de hasta 10 millones de células.
- Se mantuvieron condiciones controladas durante todo el proceso de cultivo.
- La adhesión celular mejoró significativamente con el recubrimiento de colágeno.
- El sistema demostró potencial para varias aplicaciones de cultivo celular.
Conclusiones
- La plataforma basada en chips desarrollada es efectiva para el cultivo celular tridimensional.
- Ofrece una herramienta versátil para investigadores en biología celular y biotecnología.
- Las aplicaciones futuras pueden incluir pruebas de fármacos e ingeniería de tejidos.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
Chip-based three-dimensional cell culture in perfused micro-bioreactors enables high-density, organotypic cell growth under controlled, physiologically relevant conditions. This platform addresses the need for predictive in vitro models that bridge the gap between traditional monolayer cultures and in vivo systems, supporting early discovery and translational research. Its modularity and compatibility with advanced analytics position it as a reusable asset for portfolio-wide R&D initiatives.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Supports interrogation of therapeutic hypotheses in a 3D, organotypic environment.
- Enables functional validation of targets through preservation and measurement of organ-specific markers.
- Facilitates mechanistic de-risking by maintaining cell viability and function over extended periods.
- Provides a platform for evaluating gene expression changes relevant to disease models.
Screening & Assay Development
- Prepares validated 3D biological systems for downstream compound screening workflows.
- Enables reproducible, quantitative readouts via immunofluorescence and molecular assays.
- Supports assay standardization and scalability for high-content analysis.
- Allows for reliable evaluation of compound effects in physiologically relevant contexts.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant systems by preserving organotypic functions such as albumin production and marker expression.
- Enables continuity from discovery through preclinical validation by supporting long-term cell culture and downstream analytics.
- Facilitates risk-adjusted advancement decisions through robust, predictive in vitro data.
- Supports exploratory work in stem cell differentiation and organotypic modeling.
Pipeline & Workflow Integration
This chip-based 3D culture system integrates into the discovery-to-preclinical continuum, enabling hypothesis testing, target validation, and translational research within a single platform.
- Discovery Biology: Provides a controlled environment for testing biological hypotheses and clarifying pathway function.
- Screening: Delivers assay-ready, reproducible 3D cultures for quantitative compound evaluation.
- Analytics: Supports high-content imaging, molecular profiling, and flow cytometry for comparative analysis.
- Translational Research: Maintains organotypic functions and biomarker expression for disease-relevant modeling.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, scalable system adaptable across multiple R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in early-stage research.
- Operational Value: Standardizes 3D culture workflows and enhances reproducibility across teams.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by providing robust in vitro data.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of candidates based on physiologically relevant evidence.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D cell culture and microfluidic system handling.
- Needs access to laser scanning microscopy and molecular analysis infrastructure.
- Demands cross-team standardization for chip preparation and analytical protocols.
- Adaptable to various cell types, including primary cells and stem cells, with protocol optimization.
- Limited by the need for specialized bioreactor components and sterile workflow management.
