שבב מבוסס תלת ממדי נייד תרבות Micro-bioreactors perfused
May 21st, 2008
אנו מתארים פלטפורמת השבבים מבוססי לעיבוד תלת ממדי של תאים מיקרו bioreactors. אחת שבב יכול בית עד 10 Mio. תאים שיכולים להיות מעובדים בתנאים מוגדרים במדויק לגבי זרימת נוזלים, מתח וכו 'חמצן בלולאה, סטרילי במחזור סגור.
היי, אני אריק גוטוולד ואני מדען חוקר במכון לממשקים ביולוגיים של המכון הטכנולוגי וור. והיום ברצוני להציג בפניכם את מערכת המיקרו-ביו-אקטיבית מבוססת השבבים שלנו. לפני שנוכל להשתמש בשבב ביישומי תרבית תאים, עלינו לבצע הידרוליזה של הפולימר ועלינו להוריד את השטח המובנה במיקרו
.זה מושג פשוט על ידי טבילת השבב בריכוזים שונים של איזופרופנול, החל מ-100%אני טובל את השבב רק כמה שניות בכל ריכוז והשלב האחרון הוא רק מים. לאחר מכן, השבב מיובש ולבסוף עלינו לצפות את השבב בקולגן, תמיסה אחת כדי להקל על הידבקות התאים לפולימר. זה נעשה על ידי טפטוף של כמה טיפות קולגן, תמיסה אחת על גבי האזור המיקרו-מובנה, ובמצב זה, השבב מודגר בארבע מעלות צלזיוס בן לילה.
לאחר הדגירה של הלילה עם תמיסת הקולגן האחת, מסירים את התמיסה ושוטפים את השבב עם PBS סטרילי לאחר מכן, כמו כן, מסירים את ה-PBS והשבב מוכן כעת לחיסון התאים. כעת נחסן את ספינת התא עם תרחיף של תאים בודדים, וזה נעשה רק על ידי הנחת 150 מיקרוליטר של תרחיף תאים על גבי האזור המיקרו-מובנה. לאחר שקיעת התאים, השבב מודגר במשך שלוש שעות בחממה של 37 מעלות
.לאחר תקופת הדגירה של שלוש שעות, השבב מוסר מהחממה וכעת הוא מוכן להחדרה לתוך האקטור. לשם כך מוציאים את האקטור מאריזתו הסטרילית והסטריליות מושגת על ידי הקרנת גמא של רדיד שקיפות זה. אז אנחנו רק צריכים לפתוח את החבילה ולהסיר את האקטור.
מה שנעשה לאחר מכן הוא שנכניס את החלק העליון של הבקבוק למאגר הבינוני הזה כדי שנוכל לפרק את בית הביוריאקטור להכנסת השבב. לאחר שפתחנו את בית הביוריאקטור, אנו יכולים להכניס את השבב כעת, מה שמושג רק על ידי הכנסת השבב לתוך החריץ של בית הביוריאקטור וכעת ניתן להרכיב את הבקטור שוב. מה שעלינו לעשות בסופו של דבר הוא שעלינו להתחבר למסננים סטריליים למאגר הבינוני וליציאת דגימה סטרילית אחת.
למדידת מתח החמצן בפועל בלולאת הסירקולציה הסגורה, נכניס שני חיישני חמצן על ידי הרכבתם בין שני המחברים הללו. הבקטור מוכן כעת למילוי במדיום תרבותי. מערכת הבקטור מוכנה כעת למילוי במדיום תרבית תאים, וזה מושג פשוט על ידי חיבור לולאת הסירקולציה הסגורה למשאבת הגליל.
על ידי כך, אנו נבטל בו זמנית את כל מחזור החיידק. כפי שאתם יכולים לראות כאן בחלון אקטור, אתם יכולים לראות את המדיום עולה מלמטה עולה ועולה, ומשאיר את החיידק למעלה. לפני שנכניס את מערכת ה-Bactor לתוך החממה, אנו שולטים במילוי נטול הבועות של לולאת הדם.
כעת המערכת מלאה לחלוטין במדיום תרבית תאים ואנו יכולים להעביר את הביוריאקטור לחממה. כעת נמקם את הבי רקטור בתא הדגירה. ולשם כך, בהתחלה, הבי רקטור מחובר למשאבת הגלילה, כפי שראיתם כבר זמן קצר בעבר, ועכשיו האקטור מוחדר באופן פעיל על ידי המדיום הזה מהבקבוק.
וכדי לשמור על ריכוז החמצן בסביבה, אנו מחברים את המאגר הבינוני לאספקת הגז. ולבסוף, נחבר שני חיישני חמצן למחזור הדם כדי לנטר באופן מקוון את מתח החמצן במערכת. כעת ההתקנה הושלמה ויכולה לפעול כל עוד תכננת את הניסוי.
אחד הכלים החזקים ביותר במהלך ניתוח הפונקציות האורגנוטיפיות של התאים בתוך מיכלי ה-MicroCon הוא מיקרוסקופ סריקת הלייזר, אותו תוכלו לראות כאן. מיקרוסקופ סריקת הלייזר נותן לנו את האפשרות להסתכל לתוך כל מיכל MicroCon בודד ללא הרס. ומכיוון שמכלי המיקרוקון או השבב יכולים לשמש לשיטות אימונופלואורסצנטיות קונבנציונליות לצביעה חיסונית, אנו מסוגלים לזהות כל מיני סמנים ופונקציות אורגנוטיפיות בתוך מיכלי המיקרו
.כפי שניתן לראות כאן באנימציה של השבב הזה, החלק התחתון מלא לחלוטין בתאים כמו גם בקירות מיכל המיקרוקון. יש לנו הרבה תאים חיים למדי, ויש לנו מעט מאוד תאים מתים. התמונה הבאה מראה לך שאנו יכולים לזהות כל מיני פונקציות אורגנוטיפיות בתוך מיכל ה-MicroCon.
כמו למשל, עבור הפטוציטים, ייצור האלבומין או ה-E יכולים לשמוע ביטוי בתאים, שאפשר לראות כאן יפה בשכבת-העל. הגרעין מוכתם בכחול. האקולוגי כאן מוכתם בירוק, והאלבומין מבוטא או מוכתם באדום.
וכפי שאתם יכולים לראות כאן יפה, כל הפונקציות האורגנוטיפיות שאתם מצפים מהפטוציטים באות לידי ביטוי יפה בסוג זה של תרבות תלת-ממדית. יתר על כן, הסתכלנו על סמן הפטוציטים אחר, וזה היה ציטוקרטין 18, והתמונה הזו מראה לכם שציטוקרטין 18 מתבטא יפה גם בתרביות מסוג זה. ואני מקווה שזה ישכנע אתכם שסוג זה של פונקציות אורגנוטיפיות עשוי להיות שימושי גם עבור תרבויות אורגנוטיפיות אחרות.
לאחר סיום הניסוי ב-Biore, השבב יכול לשמש לבידוד של כל מיני רכיבים תאיים, כמו למשל RNA כולל. כפי שאתם יכולים לראות כאן, כאן אנו מראים לכם את צריכת ה-RNA הכוללת, שבודדה ממערכת הביוריאקטור. לאחר מכן ניתן להשתמש ב-RNA הכולל הזה עבור יישומים במורד הזרם כמו למשל, PCR בזמן אמת, או כפי שניתן לראות כאן, ניתוח מיקרו-מערך.
יתר על כן, ניתן לבודד תאים שלמים מהמערכת ולאחר מכן ניתן להשתמש בתאים אלה לניתוח ציטומטריית זרימה קונבנציונלית. כפי שאתם יכולים לראות כאן, אני מקווה שנוכל להראות לכם שהמערכת עשויה להיות שימושית עבור כל מיני יישומים שבהם נדרשות תגובות אורגנוטיפיות ושהמערכת עשויה להיות שימושית עבור כל סוגי היישומים שלא התייחסנו אליהם עד כה, כמו למשל, יישומי תאי גזע.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
סקירה
מאמר זה מציג פלטפורמה מבוססת שבבים המיועדת לגידול תלת-ממדי של תאים במיקרו-ביו-ריאקטורים. המערכת מאפשרת גידול של עד 10 מיליון תאים בתנאים מבוקרים בתוך לולאת זרימה סטרילית וסגורה.
רכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- תרבות תאים
- טכנולוגיית מיקרו-ביו-ריאקטורים
- ביוטכנולוגיה
רקע
- מיקרו-ביו-ריאקטורים מאפשרים שליטה מדויקת בסביבת גידול התאים.
- תרבויות תאים תלת-ממדיות יכולות לחקות טוב יותר תנאים in vivo.
- הידרוליזה של פולימרים היא חיונית להכנת השבב.
- ציפוי קולגן משפר את הידבקות התאים לאזור המובנה מיקרו-סטרוקטורלית.
מטרת המחקר
- לפתח מערכת מבוססת שבבים לגידול תאים יעיל.
- לספק פלטפורמה לחקר תגובות תאיות בסביבה מבוקרת.
- לאפשר גידול תאים בצפיפות גבוהה בפורמט קומפקטי.
שיטות בשימוש
- הידרוליזה של שבב הפולימר באמצעות ריכוזים משתנים של איזופרופנול.
- ייבוש וציפוי השבב בתמיסת קולגן.
- דגירה של השבב המצופה בטמפרטורות נמוכות כדי לקדם הידבקות תאים.
- שימוש בלולאת זרימה סגורה לתנאים סטריליים.
תוצאות עיקריות
- השבב מצליח לתמוך בגידול של עד 10 מיליון תאים.
- תנאים מבוקרים נשמרו לאורך כל תהליך הגידול.
- הידבקות התאים השתפרה באופן משמעותי עם ציפוי קולגן.
- המערכת הדגימה פוטנציאל ליישומים שונים של גידול תאים.
מסקנות
- הפלטפורמה המבוססת שבבים שפותחה יעילה לגידול תלת-ממדי של תאים.
- היא מציעה כלי רב-תכליתי לחוקרים בביולוגיה של התא ובביוטכנולוגיה.
- יישומים עתידיים עשויים לכלול בדיקת תרופות והנדסת רקמות.
שאלות נפוצות
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.
