Модульная автоматизированная микрофлюидная платформа для культивирования клеток снижает гликолитический стресс в органоидах коры головного мозга

Feb 04, 2024

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 20173 (2022) Цитировать эту статью

4434 Доступа

5 цитат

124 Альтметрика

Подробности о метриках

Системы «орган-на-чипе» сочетают в себе микрофлюидику, клеточную биологию и тканевую инженерию для культивирования 3D-моделей, специфичных для органов in vitro, которые повторяют биологию и физиологию своих аналогов in vivo. Здесь мы разработали мультиплексную платформу, которая автоматизирует культивирование отдельных органоидов в изолированной микросреде при определяемых пользователем скоростях потока среды. Программируемые рабочие процессы позволяют использовать несколько резервуаров с реагентами, которые можно применять для прямой дифференциации, изучения временных переменных и долгосрочного выращивания культур. Здесь описаны новые методы изготовления чипов из полидиметилсилоксана (ПДМС), которые позволяют создавать элементы на верхней и нижней плоскостях одной подложки из ПДМС. Анализ секвенирования РНК (RNA-seq) автоматизированных культур органоидов коры головного мозга показывает преимущества в снижении стресса гликолитического и эндоплазматического ретикулума по сравнению с обычными культурами клеток in vitro.

Культура клеток была основной моделью для изучения заболеваний и развития человека более 70 лет с момента выделения клеток HeLa из биопсии рака шейки матки человека1,2. Протоколы культивирования человеческих клеток, первоначально использовавшиеся в качестве средства исследования вирусов, были оптимизированы для быстрого и легкого выращивания с целью получения больших количеств материала. Несмотря на то, что протоколы культивирования тканей продвинулись вперед, особенно в сокращении количества многих компонентов среды, большая часть этих оригинальных рецептов остается в силе. Еще многое предстоит улучшить в протоколах культивирования тканей, чтобы имитировать физиологические концентрации, доставку и удаление питательных веществ. Автоматизированная микрофлюидика позволяет нам выйти за рамки традиционных протоколов, обеспечивая подачу со скоростью и точностью, которые невозможно выполнить вручную.

Недавние достижения в области стволовых клеток и биологии развития позволили создать более точные модели, напоминающие аспекты первичной человеческой ткани3,4. Эмбриональные стволовые клетки человека (hES) и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS), называемые плюрипотентными стволовыми клетками (PSC), обладают потенциалом дифференцироваться в большинство типов клеток организма, и на этом основаны протоколы для создания 3D-моделей культуры. для тканей человека, включая мозг, кишечник, печень и грудь5,6. Эти самоорганизующиеся органоспецифичные клеточные культуры, называемые органоидами, широко используются в качестве моделей in vitro в исследованиях развития, патогенеза и медицины7,8,9. Органоиды более точно имитируют ключевые функциональные характеристики физиологии своих первичных тканевых аналогов, чем двумерные клеточные культуры6. Помимо использования в качестве моделей in vitro, органоиды также исследуются для применения в регенеративной медицине и здравоохранении в качестве ткани для имплантатов5. Поскольку технология открывает новые горизонты, растет потребность в более эффективных методах выращивания, контроля и анализа органоидных культур. Существует необходимость уменьшить разрыв между культурами in vitro и первичной тканью. Такие усилия, как показанные здесь достижения, используют прецизионную микрофлюидику, роботизированную автоматизацию и бесконтактное зондирование, чтобы обеспечить надежную, воспроизводимую культуру клеток, оптимизированную для точности тканей.

Способность органоидов, полученных из PSC, самособираться и генерировать множество типов тканеспецифичных клеток делает их особенно полезными для моделирования сложных тканей и систем. Мозг является одним из самых сложных в человеческом теле, и исследователи могут создавать высококачественные модели различных областей мозга с помощью органоидных технологий. Церебральные органоиды представляют собой форму органоида головного мозга, которая моделирует физиологию коры головного мозга и содержит множество специфичных для коры типов клеток и субрегионов10. Эти органоиды широко используются для исследований пренатального развития мозга11,12,13, патологий головного мозга14 и терапевтических испытаний15. Церебральные органоиды вырастают до нескольких миллиметров в диаметре при длительном культивировании и могут сохраняться в культуре неопределенно долго16.