Производство стволовых клеток в биореакторе

С помощью искусственных стволовых клеток вскоре можно будет разработать новые методы лечения ранее неизлечимых заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера. В Проектном центре Фраунгофера по инженерии стволовых клеток SPT разрабатывается процесс массового производства так называемых индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPS). Процесс включает новые материалы, обеспечивающие соответствие промышленного производства клеток высоким стандартам качества. Впервые процесс будет представлен публике на выставке MEDICA в Дюссельдорфе, Германия, с 15 по 18 ноября 2021 года (зал 3, стенд E74).

Клетки растущего эмбриона обладают уникальным свойством — они могут превращаться в любой другой тип клеток: клетки сердечной мышцы, нервные клетки и другие. Специалисты называют их плюрипотентными стволовыми клетками. Когда тело человека полностью сформировано, клетки теряют плюрипотентность. Однако недавно стало возможным искусственно вернуть соматические клетки взрослого человека в эмбриональное состояние. Эти «индуцированные плюрипотентные стволовые клетки» (iPS) — важный инструмент для биотехнологов. Это означает, что соматические клетки можно взять у взрослых с генетическими заболеваниями, перепрограммировать в iPS-клетки, а затем дифференцировать в клетки сердечной мышцы или нервные клетки для тестирования новых лекарств. Поскольку iPS-клетки содержат геном пациента, гораздо проще определить, какое лечение будет для него эффективным. В этом отношении iPS-клетки обладают огромным потенциалом для персонализированной медицины. Проблема в том, что до сих пор не удавалось производить iPS-клетки и культивировать их в больших количествах и с высоким качеством. Не хватает стандартизированной производственной линии и процесса промышленного производства, отвечающего нормативным требованиям. Новый Проектный центр Фраунгофера по инженерии стволовых клеток SPT в Вюрцбурге, совместно управляемый Институтом биомедицинской инженерии Фраунгофера IBMT и Институтом силикатных исследований Фраунгофера ISC, работает именно над этим.

Сочетание экспертизы в материаловедении с биотехнологиями

«В этом проекте мы сочетаем наш опыт в биотехнологиях с опытом в материаловедении», — говорит управляющий директор SPT Юлия Нойбауэр из Fraunhofer IBMT. Fraunhofer ISC делится своим огромным опытом в разработке материалов и поверхностных покрытий, чтобы помочь оптимизировать биотехнологии для культивирования клеток Fraunhofer IBMT в проекте. В настоящее время большинство ученых во всем мире используют для культивирования клеток твердые гладкие поверхности. На таких поверхностях можно выращивать клетки, например искусственные клетки сердечной мышцы, которые действительно сокращаются. Однако они ведут себя иначе, чем клетки в живом организме. Например, они почти не реагируют на гормоны, такие как адреналин, который должен заставлять их биться чаще. Команда SPT создает более реалистичные условия культивирования, чтобы iPS-клетки развивались в более зрелые клетки, ведущие себя естественно. Вместо твердых поверхностей используются, например, мягкие поверхностные покрытия из гидрогелей и 3D «биомиметические структуры», созданные с помощью 3D-принтеров. Поверхности также модифицируются биохимическими процессами для имитации тканеспецифической среды.

Ключом к культивированию iPS-клеток в SPT является использование биореакторов, в которых клетки растут, свободно плавая в питательном растворе или прикрепляясь к микроносителям. Юлия Нойбауэр и Марко Метцгер из Fraunhofer ISC, заместитель управляющего директора SPT, объясняют, что в этих реакторах клетки культивируются, например, на крошечных гидрогелевых микросферах. Они также могут расти в небольших 3D-агрегатах и взаимодействовать друг с другом. Эти методы успешно имитируют естественный рост тканей. Еще одно преимущество свободноплавающего культивирования iPS-клеток заключается в том, что клетки получают оптимальное питание и кислород. В группе клеток на 2D-поверхности клетки нижнего слоя часто получают меньше питания. Клеточная среда также не обеспечивает естественных условий.

Клеточный биобанк для исследований

За последние несколько лет Fraunhofer IBMT совместно с фармацевтическими компаниями создал Европейский банк индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (EBISC) — уникальный биобанк для iPS-клеток. Этот биобанк предоставляет различные линии iPS-клеток — например, от пациентов с болезнью Паркинсона или ранней болезнью Альцгеймера. iPS-клетки доступны академическим учреждениям, компаниям и исследовательским институтам. «С помощью этих iPS-клеток можно разрабатывать и тестировать методы лечения ряда заболеваний», — говорит Юлия Нойбауэр. «Таким образом, банк имеет огромное значение для будущего лечения заболеваний, которые в настоящее время неизлечимы».

Команда SPT представит посетителям выставки MEDICA (зал 3, стенд E74) новые технологии культивирования, функциональные возможности биореакторов и новые поверхности для выращивания клеток.