Wywiad: Bioreaktory i rusztowania 3D modyfikowane powierzchniowo do badań nad komórkami macierzystymi

Nazywam się Karlan i pracuję jako biofizyk w Instytucie Interfejsów Biologicznych. W Instytucie Technologii Cal Screw opracowujemy bioreaktory i trójwymiarowe rusztowania modyfikowane powierzchniowo do hodowli tkanek funkcjonalnych oraz do badań nad komórkami macierzystymi, interesuje nas głównie interakcja komórek z ich sztucznym środowiskiem. W artykule redakcyjnym w czasopiśmie "Nature" z 2003 roku zadano pytanie o płaską biologię, a pytanie brzmi: co to oznacza?

W przeszłości wiele systemów hodowli in vitro, głównie hodowli jednowarstwowych, miało tę wadę, że na przykład zróżnicowane komórki pierwotne miały stosunkowo krótką żywotność i różnicowały się podczas hodowli. Oznacza to, że bardzo szybko straciły większość funkcji specyficznych dla swoich narządów. Dlatego, aby odtworzyć lepsze warunki dla tych komórek in vitro, w konwencjonalnych hodowlach jednowarstwowych dokonano wielu różnych modyfikacji i adaptacji.

Obejmuje to skład pożywki hodowlanej i tworzenie powłoki naczyń hodowlanych, w których komórki tworzą głównie monowarstwy. Wszystkie te podejścia wskazują na znaczenie interakcji między komórkami, a także komunikacji między komórkami. Innym ważnym aspektem wydaje się być ustalenie specyficznych dla komórki kontekstów, które są realizowane na przykład przez kompleksy łączące szczeliny, które są wspólną cechą wielu komórek in vivo.

W konwencjonalnych kulturach jednowarstwowych komunikacja węzłowa szczelinowa jest szybko tracona. Przez długi czas. Możliwe jest przywrócenie in vitro do pewnego stopnia tkankowego układu komórek za pomocą tzw. techniki steroidowej.

Przykładem z naszego laboratorium było to, że mogliśmy wykazać, że nawet dorosłe hepatocyty ru są w stanie tworzyć sterydy i pozostawać żywotne przez co najmniej tygodnie w tych agregatach. Hepatocyty pozostają ze sobą w bliskim kontakcie, promując komunikację komórkową, co skutkuje stabilizacją specyficznych funkcji hepatocytów. Odkryliśmy jednak również, że ta konwencjonalna technika hodowli trójwymiarowej ma kilka wad.

Wielkość agregatu ma kluczowe znaczenie. Mogą one wywoływać nekrozę w przypadku dużych średnic agregatów, a w większości przypadków średni stosunek objętości do komórek jest niewłaściwy. Również siły ścinające i kultury przędzalnic mogą być problematyczne.

Narządy i tkanki w organizmach żywych charakteryzują się m.in. bardzo dużą gęstością komórek, ważną cechą jest również ukierunkowany aktywny transport substancji przez te warstwy tkankowe. Dlatego realistyczne organotypowe modele tkanek in vitro powinny jak najwierniej odtworzyć tę naturalną architekturę. A istotnym wyznacznikiem ograniczenia takich układów jest odpowiedni stosunek pożywki do objętości komórki.

Wspomniałem wcześniej, że zaprojektowaliśmy odpowiednią obudowę komórki w kształcie precyzyjnie ustrukturyzowanego rusztowania polimerowego, które oferuje równomierny rozmiar pojemnika do trójwymiarowej hodowli agregatów komórkowych. Do rusztowań polimerowych najlepiej stosować polieter PMMA lub PC, ate lub poliwęglan. Składa się on z mikrostrukturalnego urządzenia podeszwowego o grubości jednego centymetra kwadratowego, które oferuje gęsty zestaw ponad 1000 takich pojemników.

W przypadku trójwymiarowej hodowli agregatów komórkowych wykazano, że nadaje się do hodowli komórek 3D przez kilka tygodni. I każdy z tych małych sześciennych pojemników w tablicy ma krawędź o długości około 300 mikrometrów. Specjalna konstrukcja tego rusztowania i jego obrzeży, czyli komory inkubacyjnej.

Zasilanie medium ektorowego i gazem pozwala na różne tryby dostarczania medium. Pierwsza superfuzja. Oznacza to, że obie strony tkanki są oddzielnie zaopatrywane w pożywkę, a po drugie, przez perfuzję.

Oznacza to, że przepływ medium jest zmuszany do penetracji warstwy tkanki. Tryb perfuzji może być używany do tworzenia warunków, które lepiej naśladują unaczynienie in vivo, ale możliwy jest nawet mieszany tryb perfuzji i superfuzji. Opracowano różne generacje statków komórkowych.

Każda generacja może być używana z określonym projektem, aby spełnić potrzeby każdego specjalnego zastosowania. Na przykład zbudowano projekty bioreaktorów jedno- i dwuokrętowych, a także oddzielnie adresowalnych układów z wieloma mianami lub wysoce równoległej wariancji. Jako przeskalowane wersje dla ostatniej generacji Spośród tych różnych form, tak zwanych mikro pojemników termoformowanych, opracowano pewną technologię, która oferuje dodatkową możliwość modyfikacji całej powierzchni tych pojemników uformowanych w 3D, dzięki czemu możliwe jest nawet wzór powierzchni i skala submikronowa z cząsteczkami sygnałowymi.

Można również podłączyć czujniki i elektrody sygnałowe. Zastosowania obejmują zarówno badania podstawowe i biologię komórki, jak i toksykologię i farmakologię, a także badania przesiewowe o wysokiej przepustowości. Bardzo ważnym punktem na końcu jest fakt, że ostatnia generacja naszych mikro chipów termoformowanych została zoptymalizowana, aby umożliwić procesy do taniej produkcji masowej, a tym samym do zastosowania w innych laboratoriach.