Sviluppata una piattaforma multiplex che automatizza la coltura di singoli organoidi in microambienti isolati a velocità di flusso dei media definite dall'utente
Un team di ingegneri della UC Santa Cruz ha sviluppato un nuovo metodo per l'automazione remota della crescita di organoidi cerebrali: modelli tridimensionali in miniatura di tessuto cerebrale cresciuto da cellule staminali. Gli organoidi cerebrali consentono ai ricercatori di studiare e ingegnerizzare le funzioni chiave del cervello umano con un livello di accuratezza non possibile con altri modelli. Ciò ha implicazioni per la comprensione dello sviluppo del cervello e degli effetti dei farmaci per il trattamento del cancro o di altre malattie.
In un nuovo studio pubblicato sulla rivista Nature Scientific Reports (1), i ricercatori del UCSC Braingeneers group (2) descrivono in dettaglio il loro sistema di microfluidica automatizzato e connesso a Internet, chiamato “Autocultura”. Il sistema fornisce con precisione il liquido di alimentazione ai singoli organoidi cerebrali per ottimizzarne la crescita senza la necessità di interferenze umane con la coltura tissutale.
Gli organoidi cerebrali richiedono un alto livello di competenza e coerenza per mantenere le condizioni precise per la crescita cellulare nell'arco di settimane o mesi. L'utilizzo di un sistema automatizzato, come dimostrato in questo studio, può eliminare i disturbi alla crescita della coltura cellulare causati da interferenze o errori umani, fornire risultati più solidi e consentire a più scienziati di accedere alle opportunità di condurre ricerche con modelli di cervello umano.
L'autocoltura affronta anche la variazione che si verifica nella crescita degli organoidi a causa di problemi di “effetto batch”, in cui gli organoidi cresciuti in tempi diversi o in laboratori diversi in condizioni simili possono variare solo a causa della complessità della loro crescita. L'utilizzo di questo sistema uniforme e automatizzato può ridurre la variazione e consentire ai ricercatori di confrontare e convalidare meglio i risultati.
«Una delle grandi sfide è che queste culture non sono molto riproducibili, e in parte non è sorprendente perché si tratta di esperimenti che durano mesi. Devi cambiare media ogni due giorni e cercare di trattare queste culture in modo uniforme, il che è estremamente impegnativo», ha affermato Sofie Salama (3), professoressa di biologia molecolare, cellulare e dello sviluppo presso l'University of California - Santa Cruz e autrice dello studio.
Design unico
Autoculture utilizza un chip microfluidico progettato dai ricercatori, guidati dal professore associato di ingegneria elettrica e informatica Mircea Teodorescu (4) e dal dottorato in ingegneria biomolecolare Spencer Seiler. I loro nuovi chip, creati da un unico stampo a doppio strato, hanno minuscoli pozzetti e canali per fornire minuscole quantità di liquido all'organoide, che consentono agli scienziati di avere un alto livello di controllo sulle concentrazioni di nutrienti e sui sottoprodotti. Nel complesso, il sistema utilizza principalmente componenti standard a basso costo, rendendolo accessibile e modulare.
«Una caratteristica nuova e importante di questa macchina è che, da un lato, semplifica il processo e si assicura che tutto sia molto coerente», ha affermato Teodorescu. «D'altra parte, è molto modulare perché il sistema è controllato dal computer, quindi ci sono diverse parti del chip che sono intercambiabili e hanno i loro vantaggi: è davvero un agente moderno».
Poiché il sistema fornisce un flusso continuo di liquido agli organoidi, ricorda più da vicino le condizioni reali del cervello, che riceve costantemente nutrienti attraverso il sangue.
A differenza di altri metodi per la crescita di organoidi che fanno crescere le colture insieme in un piatto, il sistema Autoculture contiene una piastra di coltura con 24 pozzetti individuali, quindi ogni pozzetto può essere il proprio esperimento in cui le colture possono essere coltivate indipendentemente e alimentate con liquidi a concentrazioni variabili e programmabili e tempi. Un sistema di imaging in incubatore consente ai ricercatori di monitorare costantemente a distanza la crescita e la morfologia degli organoidi.
«Il vantaggio del sistema è che ogni organoide ha il proprio microambiente personale per il quale il fluido scorre dentro e fuori», ha detto Seiler. «Ora li abbiamo separati: sarebbe troppo laborioso da fare a mano, ma va bene per una macchina».
Inoltre, una caratteristica unica del sistema è che i supporti di alimentazione per ogni singola coltura possono essere estratti per l'analisi in qualsiasi momento durante un esperimento. Ciò consente ai ricercatori di misurare in modo non invasivo dati come pH e livelli di glucosio che possono essere importanti per monitorare la crescita cellulare.
Il sistema di microfluidica è connesso a Internet per consentire agli scienziati di operare in remoto e recuperare dati in tempo reale dal sistema in qualsiasi momento, senza interrompere la cultura. Un altro documento del gruppo Braingeneers, pubblicato sulla rivista Internet of Things (5), descrive come il sistema Autoculture sia un esempio del potere di estendere l'Internet delle cose per consentire esperimenti controllati a distanza, un'esigenza che la pandemia ha reso più urgente.
Misurando i loro organoidi cerebrali, i ricercatori hanno scoperto che le cellule staminali cresciute utilizzando il sistema di autocoltura non solo si differenziavano normalmente in vari tipi di cellule, ma in realtà sembravano più sane di quelle coltivate utilizzando metodi standard. Il sequenziamento dell'RNA ha rilevato livelli più bassi di stress del reticolo glicolitico ed endoplasmatico, mostrando un primo promettente insieme di dati per affrontare lo stress cellulare identificato in un articolo su Nature (6) da ricercatori che collaborano con l'UCSF, prova che il gruppo prevede di espandersi nella ricerca in corso.
Questa ricerca fornisce una piattaforma importante per il lavoro in corso all'interno dell'UCSC Live Cell Genomics Center. È in linea con la missione del centro di applicare le lezioni della rivoluzione informatica alle scienze della vita e fa parte di una più ampia spinta verso l'automazione dei laboratori umidi per rendere gli esperimenti più robusti e riproducibili.
Riferimenti:
(3) Sofie Salama
(5) IoT cloud laboratory: Internet of Things architecture for cellular biology
(6) Cell stress in cortical organoids impairs molecular subtype specification
Descrizione foto: Il chip microfluidico Autoculture si trova su un sistema di imaging automatizzato a 24 pozzetti controllato da remoto, abilitato per Internet. Dodici singole colture di corteccia cerebrale di 12 giorni al giorno 1 di alimentazione automatizzata. - Credit: Spencer Seiler.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Braingeneers develop novel method to automate the growth of brain tissue organoids on a chip