Ein automatisiertes Kultursystem zur Erhaltung und Differenzierung von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen

Dieser Artikel zielt darauf ab, aktuelle und detaillierte Handhabungsverfahren für ein automatisiertes Kultursystem für humane induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC), das wir in Zusammenarbeit mit einem Unternehmen hergestellt haben, vorzustellen und repräsentative Ergebnisse zu zeigen.

Seit der Veröffentlichung des Artikels im Jahr 2007 erregt iPSC weltweit Aufmerksamkeit¹. Aufgrund seiner größten Eigenschaft, sich in jede Art von Körperzellen differenzieren zu können, wird erwartet, dass es in verschiedenen Bereichen wie der regenerativen Medizin, der Aufklärung der Ursachen hartnäckiger Krankheiten und der Entwicklung neuer therapeutischer Medikamente eingesetzt wird ^2,3. Darüber hinaus könnte die Verwendung von humanen iPSC-abgeleiteten somatischen Zellen Tierversuche reduzieren, die erheblichen ethischen Einschränkungen unterliegen. Obwohl ständig zahlreiche homogene iPS-Zellen benötigt werden, um neue Methoden mit iPS-Zellen zu erforschen, ist es zu aufwendig, diese zu verwalten. Darüber hinaus ist die Handhabung von iPSC aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit, selbst gegenüber subtilen kulturellen und umweltbedingten Veränderungen, schwierig.

Um dieses Problem zu lösen, wird erwartet, dass automatisierte Kultursysteme anstelle von Menschen Aufgaben übernehmen. Einige Gruppen haben einige automatisierte humane pluripotente Stammzellkultursysteme für die Zellerhaltung und -differenzierung entwickelt und ihre Ergebnisse veröffentlicht ^4,5,6. Diese Systeme sind mit mehrgelenkigen Roboterarmen ausgestattet. Roboterarme haben nicht nur den Vorteil, dass sie die Bewegungen des menschlichen Arms in hohem Maße nachahmen, sondern auch den Vorteil, dass sie höhere Kosten für die Arme, eine größere und schwerere Systemverpackung und zeitaufwändige Schulungsanstrengungen durch die Ingenieure erfordern, um die gezielten Bewegungen zu erhalten ^7,8. Um die Einführung des Apparats in mehr Forschungseinrichtungen an den Punkten des wirtschaftlichen, räumlichen und personellen Verbrauchs zu erleichtern, haben wir ein neuartiges automatisiertes Kultursystem für die Aufrechterhaltung und Differenzierung von iPSC in verschiedene Zelltypen entwickelt⁹.

Unsere Begründung für das neue System war die Verwendung eines X-Y-Z-Achsen-Schienensystems anstelle von Roboterarmen mit mehreren Gelenken⁹. Um die komplexen handähnlichen Funktionen von Roboterarmen zu ersetzen, haben wir eine neue Idee auf dieses System angewendet, das automatisch drei Arten von spezifischen funktionalen Armspitzen wechseln kann. Hier zeigen wir auch, wie Benutzer Aufgabenpläne mit einfachen Aufträgen in der Software erstellen können, da während des gesamten Prozesses keine Anforderungen an die Beiträge der Ingenieure gestellt werden müssen.

Eines der Roboterkultursysteme hat die Herstellung von Embryoidkörpern unter Verwendung von 96-Well-Platten als 3D-Zellaggregate zur Differenzierung demonstriert⁴. Das hier beschriebene System kann keine 96-Well-Platten verarbeiten. Eine davon erreichte die derzeitige Qualität der guten Herstellungspraxis (cGMP) unter Verwendung einer Zelllinie, obwohl es sich nicht um eine humane pluripotente Stammzelle handelte⁵. Das hier beschriebene automatisierte Kultursystem wurde nun speziell mit dem Ziel entwickelt, Laborexperimente zu unterstützen (Abbildung 1). Es verfügt jedoch über genügend Systeme, um saubere Werte zu halten, die einer Sicherheitswerkbank der Stufe IV entsprechen.