Un biorreactor permite el cultivo automatizado a largo plazo de células madre
Las células madre pluripotentes inducidas humanas (hiPSC) se consideran una herramienta prometedora en medicina, con el potencial de desbloquear tratamientos para muchas condiciones de salud, como enfermedades y trastornos neurodegenerativos. Sin embargo, producir grandes cantidades de hiPSC sigue siendo un reto. Investigadores del Centro Traslacional Fraunhofer de Terapias Regenerativas (TLC-RT) del Instituto Fraunhofer de Investigación en Silicatos (ISC) han desarrollado un biorreactor que puede utilizarse para el cultivo automatizado a largo plazo de hiPSC.
Un circuito de fluidos transporta todos los líquidos utilizados a los biorreactores y al microscopio situado en el centro.
© Fraunhofer ISC
El sistema de incubadora modular con biorreactores incorporados puede ampliarse para incluir funciones adicionales.
© Fraunhofer ISC
Las células madre pluripotentes inducidas humanas (hiPSC) encierran un gran potencial para el desarrollo de terapias celulares y fármacos y para la investigación de enfermedades. Las hiPSC son muy similares a las células madre embrionarias, pero se cultivan y reprograman en un laboratorio a partir de células adultas extraídas del tejido conjuntivo de sujetos adultos. La ventaja es que las células madre pluripotentes tienen el potencial de producir casi cualquier tipo de célula o tejido que el cuerpo necesite con fines de autorreparación. También es posible realizar pruebas específicas para cada paciente de posibles principios activos directamente en las células afectadas por un determinado problema de salud.
Para satisfacer la creciente demanda de hiPSC y permitir una producción estandarizada en mayores volúmenes, un equipo de investigadores del Fraunhofer ISC de Würzburg ha desarrollado una incubadora dinámica y un biorreactor de suspensión que pueden utilizarse para el cultivo a largo plazo de hiPSC como parte de su trabajo en el proyecto SUSI (abreviatura de "Incubadora de Suspensión"). Ofrece condiciones óptimas, como una temperatura de 37 grados centígrados y una atmósfera saturada con un cinco por ciento deCO2, ambas necesarias para el cultivo de las células. Un componente clave del biorreactor es el impulsor, un tipo de agitador que realiza las importantes tareas de mezcla, aireación y transferencia de calor y masa dentro del recipiente de vidrio para crear condiciones homogéneas dentro de la suspensión celular, permitiendo así una propagación celular robusta y reproducible. "Nos centramos en el bien de las células y diseñamos y construimos todos los componentes de nuestro biorreactor teniendo esto en cuenta", afirma Thomas Schwarz, científico del Fraunhofer TLC-RT. Por ejemplo, un factor crucial son las fuerzas de cizallamiento que afectan a las células durante el proceso de agitación del cultivo. Los investigadores utilizaron simulaciones de software para calcular los parámetros óptimos para el diseño del impulsor, junto con los parámetros de proceso más eficaces. Los sensores del interior del biorreactor controlan estos parámetros continuamente en tiempo real, garantizando la homogeneidad del cultivo en suspensión, incluso con grandes cantidades de células. El recipiente de vidrio que contiene el impulsor también es escalable de acuerdo con este diseño.
Células cultivadas durante tres meses
Cuatro válvulas están conectadas entre sí para crear un bucle de fluido que transporta todas las soluciones líquidas necesarias para estos procesos, como el medio de cultivo, en un entorno estéril. Esto permite automatizar por completo la propagación de las hiPSC, minimizando la influencia de las interacciones humanas. Además, la incubadora incluye un microscopio desarrollado especialmente con un socio. Puede utilizarse para supervisar automáticamente el estado del medio de cultivo y la suspensión celular y comprobar si se produce una aglomeración no deseada, que ocurre cuando las células se agrupan. Otra función es el recuento de células mediante inteligencia artificial (IA). Durante el proceso de cultivo, una red neuronal analiza la geometría de las células. "Nuestro sistema modular puede ampliarse para incluir funciones adicionales y se distingue por su flexibilidad y alto grado de automatización, además de permitir una manipulación controlada de las células. La estructura de bucle cerrado y el intercambio automático de componentes fluidos evitan la contaminación", explica Schwarz. En la incubadora Fraunhofer TLC-RT pueden incorporarse diversos tipos de biorreactores y el equipo puede ajustarse individualmente, una opción que no suelen ofrecer las incubadoras convencionales.
Los investigadores han conseguido utilizar el biorreactor prototipo para cultivar células durante un periodo de tres meses sin reducir su potencial de diferenciación. Pudieron ajustar el sistema de modo que sean posibles varios tipos de diferenciación celular a partir de los cultivos, lo que supone un paso adelante en la tecnología hiPSC.
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Publicación original
Ivo Schwedhelm, Daniela Zdzieblo, Antje Appelt-Menzel, Constantin Berger, Tobias Schmitz, Bernhard Schuldt, Andre Franke, Franz-Josef Müller, Ole Pless, Thomas Schwarz, Philipp Wiedemann, Heike Walles, Jan Hansmann; "Automated real-time monitoring of human pluripotent stem cell aggregation in stirred tank reactors"; Scientific Reports, Volume 9, 2019-8-23
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