Ученые всего мира ищут способы лечения болезней с помощью стволовых клеток. Эти клетки открывают потенциал для разработки новых видов терапии и лекарств. Материал стволовых клеток также является ключом к исследованию болезней таким способом, который раньше был невозможен.
Если исследователи хотят достичь значимых и переносимых результатов, необходимо увеличение количества исследуемого клеточного материала. Кроме того, последние исследования показывают, что трехмерные модели клеток гораздо точнее отражают условия человеческого тела. Генерация этих клеточных агрегатов происходит главным образом в стерильных условиях в питательных растворах в форме капель.
В будущем можно будет завершить этот процесс дешево и надежно. В рамках проекта LabBag® Институт биомедицинской инженерии им.
Фраунгофера IBMT, Институт инженерии поверхностей и тонких пленок им. Фраунгофера и Институт инженерии процессов и упаковки им. Фраунгофера IVV объединили свои знания и опыт для создания миниатюрной лаборатории в виде полиэтиленовый пакет.
Внутри этого мешка индуцированные человеком плюрипотентные стволовые клетки (см. Вставку) — другими словами, искусственно созданные стволовые клетки — способны как расти, так и образовывать трехмерные агрегаты в стерильной среде. Эти клетки могут использоваться фармацевтической промышленностью в качестве тест-систем для конкретных пациентов или болезней для разработки лекарств и исследования активных ингредиентов.
Быстрое создание свисающих капель без ручного дозирования
До сих пор агрегаты стволовых клеток создавались с помощью роботов-дозаторов-дозаторов (которые дороги в приобретении и обслуживании) или с помощью ручного дозирования (что требует больших затрат труда и времени). Ручное дозирование в чашки Петри требует большой практики, а также существует риск заражения.
«Лаборатория в мешке», разработанная исследователями Fraunhofer, направлена на сокращение затрат на рабочую силу и материалы, а также на значительное увеличение выхода клеток и надежности процесса. Достаточно просто встряхнуть прозрачный пакет и за несколько секунд практически автоматически образуется несколько сотен висящих капель питательного раствора.
Капли функционируют как мини-биореакторы, в которых клеточные агрегаты могут образовывать.
В первую очередь в пакет наливается питательный раствор, содержащий стволовые клетки.
Мешок поворачивается один раз, а затем возвращается в исходное положение. Во время этого процесса капли остаются взвешенными на круглых гидрофильных пятнах. Клетки опускаются на дно капель, где они связываются и сливаются, образуя определенный трехмерный агрегат. «Мы покрыли полимерную пленку мешка двумя разными покрытиями», — поясняет д-р. Майкл Томас, руководитель проекта и научный сотрудник Fraunhofer IST, команда которого отвечает за покрытие полимерной пленки. «Гидрофобный, водоотталкивающий базовый слой гарантирует, что питательный раствор, содержащий белки, течет по поверхности и не прилипает к ней.
Однако второй слой состоит из 150 гидрофильных круглых пятен, каждое диаметром 5 миллиметров. Раствор «застревает» на этих пятнах, создавая тем самым капли."Чтобы придать поверхности пленки такой особый функционал, исследователи Брауншвейга используют плазменные процессы при атмосферном давлении. В этом методе физическая плазма создается в газовом зазоре между двумя электродами путем приложения переменного напряжения. Затем эта плазма используется для обработки поверхностей из самых разных материалов.
Одной из выдающихся особенностей LabBag® является то, что полученные модели клеток можно даже заморозить в пакете. В отличие от ручного дозирования, больше нет необходимости переносить материал в отдельный криогенный сосуд.
Оптимизация криоконсервации, то есть замораживания клеток, входит в компетенцию Fraunhofer IBMT. Кроме того, этот институт отвечает в рамках проекта за выращивание стволовых клеток, а также за характеристику и анализ трехмерных агрегатов. «Мы сосредоточены на выращивании индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPS), поскольку они могут развиться в любую клетку в организме, а также в любую ткань или определенный тип ткани. В отличие от эмбриональных стволовых клеток, они также не вызывают никаких этических споров », — говорит д-р. Юлия Нойбауэр, биолог Fraunhofer IBMT.
Стволовые клетки становятся специализированными по своей форме и возможностям для выполнения определенных задач, и это позволяет разрабатывать лекарства для конкретных пациентов. Доктор. Нойбауэр и ее коллеги сосредотачиваются на дифференцировке в клетки сердечной мышцы и фактически уже успешно дифференцировали iPS-клетки в клетки этого типа.
Высококачественные 3D-модели клеток растут за 72 часа
Каждая капля имеет объем примерно 20 микролитров, а размер трехмерной модели клетки составляет около 400 микрометров.
Изменяя диаметр пятна на поверхности мешка, можно регулировать размер агрегатов для достижения целевого расширения портфеля биологических продуктов. В настоящее время д-р.
Нойбауэр и ее команда нуждаются примерно в 72 часа, чтобы произвести агрегаты в виде висящих капель. «Мы описываем наш LabBag® как мини-лабораторию GMP — где« GMP »- это сокращение от« надлежащей производственной практики », для которой он отвечает всем требованиям. Закрытый стерильный характер системы снижает риск заражения. В конечном итоге мы сможем создать более совершенные модели клеток для исследования лекарств и тем самым избежать экспериментов на животных », — сказал доктор.
Нойбауэра подчеркивает. Команда планирует интегрировать датчики для контроля процесса.
Фраунгофер IVV во Фрайзинге и его филиал в Дрездене отвечали за создание сумки. Они взяли на себя ответственность за выбор и разработку используемых материалов, включая уплотнение, а также за разработку пакета и лежащих в его основе технологий. «Мы провели множество тестов, касающихся таких вопросов, как проницаемость, качество микроскопического анализа, биосовместимость и устойчивость к температуре и химическим веществам.
После всего этого мы остановились на полимерных пленках. Ранее мы идентифицировали 15 групп полимеров и исследовали восемь из них », — говорит д-р. Корнелия Страмм, научный сотрудник Fraunhofer IVV во Фрайзинге. Андреа Либманн из Fraunhofer IVV в Дрездене добавляет: «Список требований к LabBag® был очень сложным.
Он должен был быть очень прозрачным и адекватно сохранять свою форму; он должен был быть герметичным и штабелируемым; он должен был стерилизоваться и подвергаться криогенной заморозке. Мешок также должен был обеспечивать возможность работы одной рукой (самооткрытие) и удобный доступ для обмена питательных растворов. Чтобы удовлетворить эти высокие требования, мы разработали частично автоматизированный испытательный стенд для производства пакетов."Поскольку изготовление LabBag® экономически выгодно, он представляет собой привлекательную альтернативу традиционным подходам.
Прототип этого одноразового мешка, на который подана заявка на патент, будет представлен 13-16 ноября на объединенном стенде Fraunhofer на выставке MEDICA в Дюссельдорфе. Мини-лаборатория GMP предлагает фармацевтической промышленности — а также небольшим лабораториям без технологий чистых помещений — возможность выращивать высококачественные модели клеток для исследования лекарств без больших инвестиционных затрат.