Nutrient regulation using continuous growth adjusted feeding improves growth rates of mammalian cell spheroids compared to intermittent batch feeding for cultures in stirred suspension bioreactors. This study demonstrates the methods required for establishing simple adjusted rate fed cultures.
In this demonstration, spheroids formed from the β-TC6 insulinoma cell line were cultured as a model of manufacturing a mammalian islet cell product to demonstrate how regulating nutrient levels can improve cell yields. In previous studies, bioreactors facilitated increased culture volumes over static cultures, but no increase in cell yields were observed. Limitations in key nutrients such as glucose, which were consumed between batch feedings, can lead to limitations in cell expansion. Large fluctuations in glucose levels were observed, despite the increase in glucose concentrations in the media. The use of continuous feeding systems eliminated fluctuations in glucose levels, and improved cell growth rates when compared with batch fed static and SSB culture methods. Additional increases in growth rates were observed by adjusting the feed rate based on calculated nutrient consumption, which allowed the maintenance of physiological glucose over three weeks in culture. This method can also be adapted for other cell types.
A fim de gerar grandes números de células humanas viáveis e funcionais para transplante, a regulação das condições de cultura é imperativo. O esgotamento de nutrientes, juntamente com a acumulação de resíduos metabólicos são importantes contribuintes para a senescência e alterações metabólicas que reduzem a qualidade do produto celular 1-3. Este procedimento demonstra um método para cultura de células de mamífero em esferóides utilizando um biorreactor agitado combinado com um sistema de alimentação de perfusão taxa ajustada para regular a glucose numa gama fisiológica 4 durante toda a duração da cultura. Para a finalidade destes estudos, a gama fisiológica foi definida como entre 100 e 200 mg / dl. Os mesmos métodos podem ser utilizados para regular outros nutrientes e resíduos metabólicos, tais como lactato.
culturas estáticas em pequenos volumes (1 – 30 ml) são normalmente utilizados no ambiente de laboratório para manter e diferenciar linhas celulares para experimefins ntal. Passaging celular é realizada com as mudanças de meio completo, conforme necessário, em intervalos regulares. Mais meio de cultura "convencional" tem uma concentração de glucose elevada (450 mg / dl para DMEM utilizado nestes estudos) para permitir as mudanças de meio menos frequentes, sem o risco de limitações nutricionais. No entanto, esse método de alimentação de lote ainda requer manipulação frequente, introduz variabilidade no ambiente celular, e aumenta o risco de contaminação 5-9. Biorreatores suspensão agitada (SSB) fornecer uma melhor mistura e diminuição da manipulação de 3,10 – 20, mas como culturas estáticas, exigir mudanças médias manuais que contribuem para flutuações potencialmente prejudiciais nos níveis de produtos nutricionais e de resíduos. alimentação perfusão de culturas SSB reduz esses problemas por infusão contínua e remoção do meio, mas grandes mudanças nos níveis de nutrientes devido ao crescimento celular continuam a ser um problema. A utilização de uma alimentação adequada rate a partir de cálculos de uso de nutrientes com base em requisitos de células estimados podem proporcionar o ambiente celular estável necessário para otimizar a viabilidade celular e funcionar 21-24.
Há um grande corpo de literatura métodos para culturas escaláveis SSB de células de mamíferos, especificamente para a cultura e expansão de células pluripotentes 25 descrevendo – 32, com os outros focados em (beta) células 17,33,34 ilhota, ou a produção de produtos biológicos 24, 35-38. Muitos destes tipos de células investigadas podem ser cultivadas em culturas de esferóides, e procedimentos específicos para o tipo de célula a ser utilizado deve ser optimizado antes da implementação de um sistema de alimentação contínuo. Nesta demonstração, um método de alimentação de perfusão foi usada para expandir uma linha celular cultivada como beta esferóides num biorreactor agitado 39-43. O método aqui descrito proporciona umaimplementação direta de alimentar ajustes de taxa com base em medições de glicose no off-line para alcançar condições de cultura alvo. Ajustando a taxa de alimentação com este método para manter um nível de glucose fisiológica é mostrado para colheitas de células aumenta. As células de mamíferos são dependentes de um nutriente essencial, glucose, para a produção de energia, de modo que o uso desta linha de células representa um modelo para muitas células de mamíferos em cultura 44. Além disso, esta linha exemplifica a complexidade adicional de células beta, que são sensíveis a níveis elevados de glicose 45 crónicas. Para este estudo, as células beta-TC6 permissão para formar esferóides em cultura para aproximar o tamanho médio das ilhotas de Langerhans in vivo. O sistema de bioreactor de perfusão 17 – 19,21,46 com uma taxa de alimentação ajustada ao consumo de glicose, resultou na manutenção de condições fisiológicas e rendimentos mais elevados de células, sem alterações na viabilidade.
Geração de produtos de células de mamíferos para a produção de agentes biológicos e para terapias celulares requer a cultura e monitorização de células de mamífero em grande escala 55-58. Além disso, estas aplicações requerem condições de cultura definidas e validadas. Simplesmente aumentar o volume de células usando tecnologias de pesquisa não vai atender a todos esses requisitos. Manual de alterações a médio causando flutuações em nutrientes e acúmulo de resídu…
The authors have nothing to disclose.
The authors thank Michael Garwood and Sam Stein for their helpful comments, and Kristen M. Maynard for assistance with manuscript preparation.
Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number / Link | Comments/Description |
BTC-6 Cells | ATCC, Manassas, VA | CRL-11506 | Mouse Insulinoma cell line (adherent cell type) |
DPBS No CA, No Mg | Invitrogen, Carlsbad, CA | 14190-144 | https://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/14190144?ICID=search-14190144 |
Dulbecco's Modified Eagles Medium | Invitrogen, Carlsbad, CA | See below for product numbers | |
DMEM High Glucose (500mM) | Invitrogen, Carlsbad, CA | 11965-092 | http://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/11965092 |
DMEM Low Glucose (100mM) | Invitrogen, Carlsbad, CA | 11885-084 | http://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/11885084 (note that this medium already contains pyruvate) |
L-gultamine | Invitrogen, Carlsbad, CA | 25030081 | http://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/25030081?ICID=search-product |
Sodium Pyruvate | Invitrogen, Carlsbad, CA | 11360070 | https://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/11360070?ICID=search-product |
Heat Inactivated Porcine Serum | Gibco – Life Technologies | 10082147 | http://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/10082147 |
Trypsin-EDTA | Invitrogen, Carlsbad, CA | 25200056 | https://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/25200056?ICID=search-product |
T-150 Tissue Culture Treated Flasks | Corning, Corning, NY | 430825 | http://catalog2.corning.com/LifeSciences/en-US/Shopping/ProductDetails.aspx?productid=430825(Lifesciences) &categoryname= |
NuAire Cell culture incubator | Princeton, MN | US Autoflow , Any water-jacketed CO2 regulating cell culture incubator could be used | |
Centrifuge | Sorvall RT 7 (Any similar benchtop centrifuge may be used) | ||
Refrigerator | Any laboratory refrigerator could be used (a small table-top version was used for these studies) | ||
1L Glass Bottle | Corning, Corning, NY | 1395-1L | Any vendor could be used http://catalog2.corning.com/LifeSciences/en-US/Shopping/ProductDetails.aspx?productid=1395-1L(Lifesciences) &categoryname= |
2L Glass Bottle | Corning, Corning, NY | 1395-2L | Any vendor could be used |
250 ml stirred bioreactors | Corning, Corning, NY | 4500-250 | http://catalog2.corning.com/LifeSciences/en-US/Shopping/ProductDetails.aspx?productid=4500-250(Lifesciences) &categoryname= |
Stir Plate | Fisher Scientific | 11-496-104A | Any incubator safe stir-plate can be used, any vendor |
Tissue Culture Dishes 100mm Diameter | Nunc, Rochester, NY (Fisher Scientific) | 1256598 | Any vendor could be used (ordered through Fisher Sci) |
FALCON 50 ml Conical Tubes | Falcon, San Jose, CA | 1256598 | Any vendor could be used |
Delran Plastic Used for Custom Parts | McMaster Carr | Various | Any material of choice could be used, but Deran is chosen because it is autoclave safe, non-reactive, and easy to machine, http://www.mcmaster.com/#acetal-homopolymer-sheets/=rjrcac |
Stainless Steel Pipe for custom lids | McMaster Carr | Various | Any vendor could be used, http://www.mcmaster.com/#standard-stainless-steel-tubing/=rjrd91 |
Custom Modified Delran Bioreactor Lids for Continuous Feeding | Custom made | Not aware of any vendors producing a similar product | |
Custom Modified Glass Bottle Lids for Continuous feeding | Custom made | Some vendors (eg. Fischer Sci, Corning) make similar products in the links below | |
Masterflex Digital Peristaltic Pump | Cole Parmer, Vernon Hills, IL | EW-77919-25 | Any precision peristaltic pump could be used, http://www.coleparmer.com/Product/L_S_Eight_Channel_Four_Roller_ Cartridge_Pump_System_115_230 _VAC/EW-77919-25 |
PVDF Tubing Connectors (various) | Cole Parmer, Vernon Hills, IL | see link | Any vendor could be used, http://www.coleparmer.com/Category/Cole_Parmer_PVDF_Premium _Luer_Fittings/55889 |
Pharmed BPT Tubing L/S 16 | Cole Parmer, Vernon Hills, IL | WU-06508-16 | Any vendor could be used, http://www.coleparmer.com/Product/Masterflex_PharMed_BPT_Tubing _L_S_13_25/WU-06508-16 |
Pharmed BPT Tubing L/S 14 | Cole Parmer, Vernon Hills, IL | WU-06508-14 | Any vendor could be used, http://www.coleparmer.com/Product/Masterflex_PharMed_BPT_Tubing _L_S_13_25/WU-06508-14 |
Pharmed BPT Tubing L/S 13 | Cole Parmer, Vernon Hills, IL | WU-06508-13 | Any vendor could be used, http://www.coleparmer.com/Product/Masterflex_PharMed_BPT_Tubing _L_S_13_25/WU-06508-13 |
Millipore Millex GP PES membrane 0.22ul sterile syringe filter (used for venting, and medium filtration) | Fisher Scientific | SLGP033RS | Any vendor could be used |
25ml Graduated Pipette | Fisher Scientific | 13-678-11 | Any vendor could be used, and various sizes may be used |
Pipetter | Fisher Scientific | 13-681-15E | Any vendor, or similar product could be used |
Hemocytometer | Fisher Scientific | 02-671-6 | Any vendor, or similar product could be used |
Trypan Blue | Gibco – Life Technologies | 15250-061 | Any vendor, or similar product could be used, https://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/15250061 |
Inverted Light Microscope | Leica | Any vendor, or similar product could be used | |
One Touch Ultra Blood Glucose Meter | Fisher Scientific | 22-029-293 | Any vendor, or similar product could be used (eg. Bayer) |
One Touch Ultra-Strips | Fisher Scientific | 22-029-292 | Any vendor, or similar product could be used (eg. Bayer) |