インタビュー：幹細胞研究のためのバイオリアクターと浮上し、修正3D -足場
2008年5月21日
主に単層培養 - - 多くの場合、分化初代細胞は比較的短い寿命を持っていて、培養中に脱分化している欠点に苦しんで体外培養システムにおける過去の多くの。結果として、彼らの臓器特異的な機能のほとんどが急速に失われていた。従って、in vitroでこれらの細胞のためのより良い条件を再現するためには、変更および改造は、従来の単層培養に行われています。
私の名前はカーランで、生体界面研究所で生物物理学者として働いています。Cal Screw Institute of Technologyでは、機能組織の培養のためのバイオリアクターや表面改質三次元足場の開発や幹細胞研究のために、主に細胞と人工環境との相互作用に関心を持っています。2003年のネイチャー誌の論説は、フラットバイオロジーによって質問を投げかけましたが、問題は、これが何を暗示しているのかということです。
従来、単層培養を中心とする多くのin vitro培養系は、例えば、分化した初代細胞は寿命が比較的短く、培養中に脱分化するという欠点を抱えていました。つまり、彼らは臓器特有の機能のほとんどを非常に急速に失ったのです。したがって、これらの細胞のより良い条件をin vitroで再現するために、従来の単層培養では多くの異なる修飾と適応が行われてきました。
そして、これには、培地の組成と、細胞が主に単層を形成する培養容器のコーティングの作成が含まれます。そして、これらすべてのアプローチは、細胞間コミュニケーションだけでなく、細胞マトリックス相互作用の重要性を示しています。もう一つの重要な側面は、細胞特異的な状況の確立であると思われ、これは例えば、in vivoの多くの細胞に共通する特性であるギャップ結合複合体によって実現される。
従来の単層培養では、ギャップ結合コミュニケーションは急速に失われます。ずっと。いわゆるステロイド法を用いて、細胞の組織のような配置をin vitroである程度再構築することが可能です。
私たちの研究室の例は、成体のru肝細胞でさえステロイドを形成し、これらの凝集体で少なくとも数週間生存し続けることができることを示すことができたことです。肝細胞は互いに密接に接触し続け、細胞のコミュニケーションを促進し、肝細胞特異的な機能を安定させます。しかし、この従来の3次元培養技術にはいくつかの欠点があることもわかりました。
アグリゲートのサイズは重要です。それらは、骨材の直径が大きい場合に壊死を誘発する可能性があり、ほとんどの場合、培地の体積と細胞の比率は不適切です。また、せん断力とスピナー文化が問題になる可能性があります。
生体内の臓器や組織は、とりわけ、非常に高い細胞密度を特徴とし、これらの組織層を介した物質の積極的な輸送も重要な特性です。したがって、現実的な器官型のin vitro組織モデルは、この自然な構造を最も密接に再構築する必要があります。そして、そのようなシステムの制限の本質的な決定要因は、培地と細胞容量の適切な比率です。
前に述べたように、細胞凝集体の三次元培養のための均一なサイズの容器を提供する、正確に微細な構造のポリマー足場として成形された適切な細胞ハウジングを設計しました。ポリマーの足場については、PMMAまたはPCポリエーテル、ateまたはポリカーボネートを使用することが好ましい。そして、これは1平方センチメートルの微細構造の足底装置で構成されており、これらのコンテナの1000以上の密集した配列を提供します。
細胞凝集体の三次元培養では、数週間にわたって3次元細胞培養に適していることが示されています。そして、アレイ内のこれらの小さな立方体コンテナのそれぞれは、約300マイクロメートルのエッジ長を持っています。この足場と周辺部の特別なデザインは、インキュベーションチャンバーを意味します。
ector媒体およびガス供給は媒体供給の異なったモードを可能にする。最初のスーパーフュージョン。つまり、組織の両側は栄養培地によって別々に供給され、次に灌流によって供給されます。
つまり、中程度の流れが組織層を貫通することを余儀なくされます。灌流モードは、in vivo血管新生をよりよく模倣する条件を作り出すために使用できますが、灌流と超灌流の混合モードも可能です。さまざまな世代のセル船が開発されています。
各世代は、特別なアプリケーションのニーズを満たすために、特定の設計で使用できます。例えば、シングルおよびダブルシップバイオリアクターの設計が構築されているだけでなく、個別にアドレス指定可能なマルチタイター配置や高度に並列化された分散も構築されています。これらの異なる形態のうち、いわゆるマイクロ熱成形容器は、特定の技術が開発されており、これにより、これらの3D成形容器の全表面を変更する追加の可能性が提供され、シグナル伝達分子による表面パターニングやサブミクロンスケールも可能です。
また、センサーや信号電極を組み込むことも可能です。その用途は、基礎研究や細胞生物学から毒物学や薬理学まで多岐にわたり、また可能な限りハイスループットスクリーニングにも及びます。最後に非常に重要な点は、当社のマイクロ熱成形チップの最終世代が、安価な大量生産のプロセスを可能にし、したがって他の研究所でのアプリケーションを可能にするために最適化されているという事実です。
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概要
この記事では、in vitroシステムにおける従来の単層培養の限界について議論し、特に一次細胞の短い寿命と非分化について取り上げています。臓器特異的機能を維持するために改善された培養条件の必要性を強調しています。
主要な研究構成要素
科学分野
- 細胞培養技術
- 生物物理学
- 組織工学
背景
- 単層培養は細胞研究に広く使用されています。
- これらの培養では一次細胞は時間とともにしばしば機能を失います。
- より良いin vitroシステムを開発することへの関心が高まっています。
- 細胞の生存性を維持するために培養技術の改良が不可欠です。
研究目的
- 従来の単層培養の代替案を探ること。
- in vitroでの一次細胞の寿命と機能を向上させること。
- 細胞と人工環境との相互作用を調査すること。
使用した方法
- バイオリアクターの開発。
- 表面修飾された三次元スキャフォールドの作成。
- 改良された培養条件下での細胞挙動の評価。
- 従来の培養システムと新しい培養システムの比較分析。
主な結果
- 改良された培養システムは細胞の生存性を向上させました。
- 細胞は単層培養と比較してより多くの臓器特異的機能を維持しました。
- 三次元スキャフォールドは細胞間の相互作用を促進しました。
- バイオリアクターシステムは機能的組織の成長を促進しました。
結論
- 革新的な培養技術は細胞生物学の進歩に不可欠です。
- 三次元スキャフォールドとバイオリアクターは細胞培養の結果を大幅に改善できます。
- 将来の研究はさまざまな応用のためにこれらのシステムを最適化することに焦点を当てるべきです。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Transitioning from monolayer to 3D scaffold-based bioreactor systems addresses critical limitations in cell viability and functional maintenance, directly impacting early discovery and translational research. Surface-modified micro-thermoformed containers enable more physiologically relevant in vitro models, supporting predictive confidence in preclinical studies and scalable assay development. These advances facilitate risk-adjusted portfolio decisions by improving the fidelity of disease-relevant systems for pharmaceutical R&D.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of cell-matrix and cell-cell interactions in controlled 3D environments.
- Supports functional target validation by maintaining organ-specific cell functions over extended periods.
- Reduces mechanistic ambiguity by replicating in vivo-like tissue architecture.
- Improves predictive confidence for downstream biological hypotheses.
Screening & Assay Development
- Prepares validated 3D biological systems for high-throughput screening and pharmacological testing.
- Facilitates assay standardization through uniform micro-structured scaffolds and controlled medium supply.
- Enables reproducible, quantitative outputs by integrating sensors and signal electrodes.
- Supports scalable, parallelized screening formats for compound evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Aligns in vitro models with disease-relevant tissue architecture for translational biomarker studies.
- Provides continuity from discovery through preclinical validation by sustaining cell viability and function.
- De-risks preclinical advancement by offering more predictive tissue models.
- Supports risk-adjusted decision-making for candidate progression.
Pipeline & Workflow Integration
Surface-modified 3D scaffolds and bioreactors integrate from early discovery through lead identification and preclinical validation, enhancing the reliability of in vitro models across the R&D continuum.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling long-term, functional cell cultures.
- Screening: Delivers assay-ready, reproducible 3D systems with quantitative readouts for compound screening.
- Analytics: Incorporates embedded sensors for real-time measurement and comparison of experimental conditions.
- Translational Research: Bridges in vitro and in vivo studies by mimicking organotypic tissue structures.
- Enterprise Reuse: Offers scalable, mass-producible platforms adaptable to diverse research needs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces biological risk in early-stage research.
- Operational Value: Standardizes and scales 3D culture systems for reproducible, high-throughput workflows.
- Strategic Value: Enables better go/no-go decisions and capital efficiency by improving model fidelity.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of candidates with higher translational relevance.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D cell culture and bioreactor operation.
- Needs access to microfabrication and analytical instrumentation for scaffold production and monitoring.
- Demands cross-team standardization for assay protocols and data interpretation.
- Adaptable to various cell types and model systems with appropriate surface modifications.
- Considerations for aggregate size, medium-to-cell ratio, and perfusion modes are critical for optimal outcomes.
