La piattaforma modulare automatizzata di coltura cellulare microfluidica riduce lo stress glicolitico negli organoidi della corteccia cerebrale

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20173 (2022) Citare questo articolo

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I sistemi organ-on-a-chip combinano microfluidica, biologia cellulare e ingegneria dei tessuti per coltivare modelli 3D in vitro specifici per organo che ricapitolano la biologia e la fisiologia delle loro controparti in vivo. Qui, abbiamo sviluppato una piattaforma multiplex che automatizza la coltura di singoli organoidi in microambienti isolati a velocità di flusso dei media definite dall'utente. I flussi di lavoro programmabili consentono l'uso di più serbatoi di reagenti che possono essere applicati alla differenziazione diretta, allo studio delle variabili temporali e alla coltivazione delle colture a lungo termine. Qui vengono descritte nuove tecniche di fabbricazione di chip di polidimetilsilossano (PDMS) che consentono funzionalità sui piani superiore e inferiore di un singolo substrato PDMS. L'analisi del sequenziamento dell'RNA (RNA-seq) delle colture automatizzate di organoidi della corteccia cerebrale mostra vantaggi nel ridurre lo stress glicolitico e del reticolo endoplasmatico rispetto alle colture cellulari convenzionali in vitro.

La coltura cellulare è stata un modello principale per lo studio delle malattie umane e dello sviluppo per oltre 70 anni dall'isolamento delle cellule HeLa da una biopsia del cancro cervicale umano1,2. Originariamente utilizzati come veicolo per la ricerca sui virus, i protocolli di coltura cellulare umana sono stati ottimizzati per una crescita rapida e semplice per produrre grandi quantità di materiale. Sebbene i protocolli di coltura dei tessuti abbiano fatto progressi, in particolare riducendo molti componenti dei terreni, molte di queste ricette originali rimangono in vigore. C’è ancora molto spazio per migliorare i protocolli di coltura dei tessuti per imitare le concentrazioni, l’apporto e la rimozione fisiologici dei nutrienti. La microfluidica automatizzata ci consente di andare oltre i protocolli tradizionali alimentando a velocità e precisione non realizzabili manualmente.

I recenti progressi nel campo delle cellule staminali e della biologia dello sviluppo hanno generato modelli più accurati che ricordano aspetti del tessuto umano primario3,4. Le cellule staminali embrionali umane (hES) e le cellule staminali pluripotenti indotte (iPS), collettivamente denominate cellule staminali pluripotenti (PSC), hanno il potenziale per differenziarsi nella maggior parte dei tipi cellulari del corpo e i protocolli ne hanno approfittato per generare modelli di coltura 3D per i tessuti umani tra cui cervello, intestino, fegato e mammella5,6. Queste colture cellulari organo-specifiche autoassemblanti, chiamate organoidi, sono ampiamente utilizzate come modelli in vitro nella ricerca sullo sviluppo, nella patogenesi e nella medicina7,8,9. Gli organoidi imitano le caratteristiche funzionali chiave della fisiologia della loro controparte tissutale primaria in modo più accurato rispetto alle colture cellulari 2D6. Oltre all'uso come modelli in vitro, gli organoidi vengono studiati anche per applicazioni nella medicina rigenerativa e nell'assistenza sanitaria come tessuti per impianti5. Poiché la tecnologia apre nuove frontiere, c’è una crescente necessità di metodi migliori per coltivare, controllare e analizzare le colture di organoidi. È necessario ridurre il divario tra le colture in vitro e il tessuto primario. Sforzi come i progressi qui mostrati sfruttano la microfluidica di precisione, l’automazione robotica e il rilevamento senza contatto per consentire colture cellulari robuste e riproducibili ottimizzate per la fedeltà dei tessuti.

La capacità degli organoidi derivati ​​dalle PSC di autoassemblarsi e generare molti tipi di cellule tessuto-specifici li rende particolarmente utili per modellare tessuti e sistemi complessi. Il cervello contiene alcune delle complessità più elevate del corpo umano e i ricercatori possono generare modelli di alta qualità di diverse regioni del cervello con la tecnologia degli organoidi. Gli organoidi cerebrali sono una forma di organoidi cerebrali che modella la fisiologia della corteccia cerebrale, contenente molti tipi di cellule e sottoregioni specifiche della corteccia10. Questi organoidi sono ampiamente utilizzati per la ricerca sullo sviluppo prenatale del cervello11,12,13, sulle patologie cerebrali14 e sui test terapeutici15. Gli organoidi cerebrali cresceranno fino a pochi millimetri di diametro durante una coltura prolungata e potranno essere mantenuti in coltura indefinitamente16.