Interview: bioreactoren en ondergedompeld-Modified 3D-Stellingen voor stamcelonderzoek

Mijn naam is Karlan en ik werk als biofysicus bij het Institute for Biological Interfaces. In het Cal Screw Institute of Technology ontwikkelen we bioreactors en oppervlaktegemodificeerde driedimensionale scaffolds voor de cultivatie van functioneel weefsel en voor stamcelonderzoek. We zijn voornamelijk geïnteresseerd in de interactie van cellen met hun kunstmatige omgeving. Een redactioneel artikel uit Nature in 2003 stelde de vraag over flat biology, en de vraag is, wat wordt hiermee bedoeld?

In het verleden leden veel in vitro-kweeksystemen, voornamelijk monolaag-culturen, aan de nadelen dat gedifferentieerde primaire cellen bijvoorbeeld een relatief korte levensduur hadden en gededifferentieerd raakten tijdens de kweek. Dat betekent dat ze hun orgaanspecifieke functies zeer snel verloren. Daarom zijn er in conventionele monolaag-culturen veel verschillende aanpassingen en modificaties gemaakt om betere omstandigheden voor deze cellen in vitro te reproduceren.

En dit omvat de samenstelling van het kweekmedium en de coating van kweekvaten waarin de cellen voornamelijk monolagen vormen. En al deze benaderingen geven de belangrijkheid van celmatrix-interacties aan, evenals cel-tot-cel-communicatie. Een andere belangrijke aspect lijkt de vestiging van celspecifieke contexten te zijn, die bijvoorbeeld worden gerealiseerd door gap junctional complexen, die een veelvoorkomend kenmerk zijn van veel cellen in vivo.

In conventionele monolaag-culturen gaat gap junctional communicatie snel verloren. Voor een lange tijd. Het is mogelijk om in vitro in zekere mate een weefsel-achtige opstelling van cellen opnieuw te installeren door gebruik te maken van de zogenaamde steroïdtechniek.

Een voorbeeld uit ons lab was dat we konden aantonen dat zelfs volwassen ru hepatocyten in staat zijn om steroïden te vormen en minimaal weken levensvatbaar te blijven in deze aggregaten. Hepatocyten blijven in nauw contact met elkaar, wat de cellulaire communicatie bevordert en resulteert in de stabilisatie van hepatocyt-specifieke functies. Maar we ontdekten ook dat deze conventionele driedimensionale kweektechniek verschillende nadelen heeft.

De aggregategrootte is kritiek. Ze kunnen necrose veroorzaken voor grote aggregaatdiameters, en in de meeste gevallen is de medium-tot-cel-verhouding ongepast. Ook kunnen afschurende krachten en spinner-culturen problematisch zijn.

Organen en weefsels in levende organismen worden onder andere gekenmerkt door zeer hoge celdichtheden, ook gerichte actieve transport van stoffen door deze weefsellagen is een belangrijk kenmerk. Daarom moeten realistische organotypische in vitro weefselmodellen deze natuurlijke architectuur zo dicht mogelijk nastreefden. En een essentiële determinant voor de beperking van dergelijke systemen is de juiste verhouding van medium tot celvolume.

Ik zei al dat we een geschikt celhuisvesting ontwierpen, gevormd als een nauwkeurig gestructureerd polymeerscaffold, dat gelijkmatig gevormde containers biedt voor de driedimensionale kweek van celaggregaten. Voor het polymeerscaffold gebruiken we bij voorkeur PMMA of PC polyether, ate of polycarbonaat. En dit bestaat uit een micro-gestructureerd plantair apparaat van één vierkante centimeter, dat een dichte opstelling van meer dan 1000 van deze containers biedt.

Voor de driedimensionale kweek van celaggregaten is aangetoond dat het geschikt is voor 3D-celkweek gedurende meerdere weken. En elk van deze kleine kubusvormige containers in de opstelling heeft een randlengte van ongeveer 300 micrometer. Het speciale ontwerp van dit scaffold en van de periferie, dat wil zeggen de incubatiekamer.

Het ectormedium en gastoevoer staan verschillende modi van mediumtoevoer toe. Ten eerste superfusie. Dat betekent dat beide zijden van het weefsel afzonderlijk worden voorzien van voedingsmedium, en ten tweede perfusie.

Dat betekent dat de mediumstroom gedwongen wordt om de weefsellaag te penetreren. De perfusiemodus kan worden gebruikt om omstandigheden te creëren die de in vivo-vascularisatie beter nabootsen, maar zelfs een gemengde modus van perfusie en superfusie is mogelijk. Er zijn verschillende celchip-generaties ontwikkeld.

Elke generatie kan worden gebruikt met een bepaald ontwerp om aan de behoeften van elke speciale toepassing te voldoen. Zo zijn ontwerpen van enkele en dubbele chip-bioreactors gebouwd, evenals afzonderlijk aanspreekbare multi-titer-opstellingen of hoog parallelle varianten. Als opgewaardeerde versies voor de laatste generatie van deze verschillende vormen zijn de zogenaamde micro-thermovormde containers, een bepaalde technologie ontwikkeld, die de aanvullende mogelijkheid biedt om het hele oppervlak van deze 3D-gevormde containers hiermee aan te passen, zelfs een oppervlaktepatroon en een submicronschaal met signaalmoleculen is mogelijk.

Ook kunnen sensoren en signaalelektroden worden ingebouwd. De toepassingen variëren van fundamenteel onderzoek en celbiologie tot toxicologie en farmacologie, en ook high-throughput screening is mogelijk. Een zeer belangrijk punt aan het einde is het feit dat de laatste generatie van onze micro-thermoformchips is geoptimaliseerd om processen voor goedkope massaproductie mogelijk te maken en daarom voor toepassing in andere laboratoria.