ראיון: bioreactors ועלו-Modified-3D פיגומים למחקר בתאי גזע

שמי קרלן ואני עובד כביופיזיקאי במכון לממשקים ביולוגיים. במכון הטכנולוגי Cal Screw אנו מפתחים ביו-ריאקטורים ופיגומים תלת מימדיים שעברו שינוי פני השטח לגידול רקמות פונקציונליות ולמחקר תאי גזע, אנו מתעניינים בעיקר באינטראקציה של תאים עם הסביבה המלאכותית שלהם. מאמר מערכת ב-Nature משנת 2003 שאל את השאלה על ידי ביולוגיה שטוחה, והשאלה היא, מה משתמע מכך?

בעבר, מערכות רבות של תרביות מבחנה, בעיקר תרביות חד-שכבתיות, סבלו מהחסרונות שבהם, למשל, לתאים ראשוניים ממוינים הייתה תוחלת חיים קצרה יחסית והתמשלו במהלך התרבית. משמעות הדבר היא שהם איבדו את רוב התפקודים הספציפיים לאיברים שלהם במהירות רבה. לכן, על מנת לשחזר תנאים טובים יותר לתאים אלה במבחנה, נעשו שינויים והתאמות רבות ושונות בתרבויות חד-שכבתיות קונבנציונליות.

וזה כולל את הרכב מדיום התרבות ויצירת ציפוי של כלי תרבית בהם התאים יוצרים בעיקר חד-שכבות. וכל הגישות הללו מצביעות על החשיבות של אינטראקציות מטריצת תאים כמו גם תקשורת בין תאים. נראה כי היבט חשוב נוסף הוא הקמת הקשרים ספציפיים לתאים, המתממשים למשל על ידי קומפלקסים צומתים מרווחים, המאפיינים תאים רבים in vivo.

בתרבויות חד-שכבתיות קונבנציונליות, פער תקשורת צומת הולך לאיבוד במהירות. במשך זמן רב. ניתן להקים מחדש במבחנה במידה מסוימת סידור דמוי רקמה של תאים באמצעות מה שנקרא טכניקת סטרואידים.

דוגמה מהמעבדה שלנו הייתה שיכולנו להראות שאפילו הפטוציטים בוגרים מסוגלים ליצור סטרואידים ולהישאר ברי קיימא לפחות שבועות באגרגטים האלה. הפטוציטים נשארים בקשר הדוק זה עם זה ומקדמים את התקשורת התאית וכתוצאה מכך מייצבים פונקציות ספציפיות של הפטוציטים. אבל מצאנו גם שלטכניקת התרבות התלת-ממדית הקונבנציונלית הזו יש כמה חסרונות.

הגודל המצטבר הוא קריטי. הם עלולים לגרום לנמק בקטרים מצטברים גדולים, וברוב המקרים, היחס הבינוני בין נפח לתא אינו מתאים. כמו כן, כוחות גזירה ותרבויות ספינר יכולים להיות בעייתיים.

איברים ורקמות באורגניזמים חיים הם בין היתר, מאופיינים בצפיפות תאים גבוהה מאוד, גם הובלה פעילה מכוונת של חומרים דרך שכבות רקמה אלה היא מאפיין חשוב. לכן, מודלים ריאליסטיים של רקמות אורגנוטיפיות במבחנה צריכים לבנות מחדש את הארכיטקטורה הטבעית הזו. וגורם חיוני להגבלת מערכות כאלה הוא היחס המתאים בין נפח המדיום לתא.

הזכרתי קודם שעיצבנו בית תא מתאים בצורת פיגום פולימרים מובנים במדויק, המציע מיכל בגודל שווה לתרבית תלת מימדית של אגרגטים תאים. עבור פיגומי הפולימרים, אנו מעדיפים להשתמש בפוליאתר PMMA או PC, אכל או פוליקרבונט. וזה מורכב ממכשיר פלנטרי מיקרו מובנה של סנטימטר מרובע אחד, המציע מערך צפוף של יותר מ -1000 מכלים אלה.

עבור תרבית תלת מימדית של אגרגטים תאים, הוכח שהוא מתאים לתרבית תאים תלת מימדית במשך מספר שבועות. ולכל אחד מהמיכלים המעורבים הקטנים הללו במערך יש אורך קצה של כ-300 מיקרומטר. העיצוב המיוחד של פיגום זה ושל הפריפריה, כלומר תא הדגירה.

מדיום החשמל ואספקת הגז מאפשרים מצבים שונים של אספקה בינונית. סופר-פיוז'ן ראשון. המשמעות היא ששני צידי הרקמה מסופקים בנפרד על ידי מדיום תזונתי, ושנית, זילוף.

המשמעות היא שזרימה בינונית נאלצת לחדור לשכבת הרקמה. ניתן להשתמש במצב הזלוף כדי ליצור תנאים המחקים טוב יותר את כלי הדם in vivo, אך אפילו מצב מעורב של זלוף ואי-על אפשרי. פותחו דורות שונים של ספינות תאים.

ניתן להשתמש בכל דור עם עיצוב מסוים כדי לענות על הצרכים של כל יישום מיוחד. לדוגמה, נבנו עיצובים של ביו-ריאקטורים של ספינה אחת וכפולה, כמו גם סידורים מרובי טיטרים הניתנים להתייחסות בנפרד או שונות מקבילה מאוד. כגרסאות משודרגות לדור האחרון מבין הצורות השונות הללו, מה שמכונה מיכלים מיקרו תרמופורמים, פותחה טכנולוגיה מסוימת, המציעה אפשרות נוספת לשנות את כל פני השטח של מיכלים תלת מימדיים אלה כאן עם זאת, אפילו דפוס משטח וקנה מידה תת-מיקרוני עם מולקולות איתות אפשרי.

כמו כן, ניתן לשלב חיישנים ואלקטרודות אותות. היישומים נעים בין מחקר בסיסי וביולוגיה של התא לטוקסיקולוגיה ופרמקולוגיה, וגם סינון תפוקה גבוהה ככל האפשר. נקודה חשובה מאוד בסוף היא העובדה שהדור האחרון של שבבי המיקרו תרמופורמים שלנו עבר אופטימיזציה כדי לאפשר תהליכים לייצור המוני זול ולכן ליישום במעבדות אחרות.