Here is a protocol to grow pluripotent stem cells (PSC) and neural stem cells (NSC) in an enclosed cell culture system that permits maximum sterility and reproducibility, replacing the traditional biosafety cabinet and incubator. This equipment meets clinical good manufacturing practice (cGMP) and clinical good lab practice (cGLP) guidelines.
This paper describes how to use a custom manufactured, commercially available enclosed cell culture system for basic and preclinical research. Biosafety cabinets (BSCs) and incubators have long been the standard for culturing and expanding cell lines for basic and preclinical research. However, as the focus of many stem cell laboratories shifts from basic research to clinical translation, additional requirements are needed of the cell culturing system. All processes must be well documented and have exceptional requirements for sterility and reproducibility. In traditional incubators, gas concentrations and temperatures widely fluctuate anytime the cells are removed for feeding, passaging, or other manipulations. Such interruptions contribute to an environment that is not the standard for cGMP and GLP guidelines. These interruptions must be minimized especially when cells are utilized for therapeutic purposes. The motivation to move from the standard BSC and incubator system to a closed system is that such interruptions can be made negligible. Closed systems provide a work space to feed and manipulate cell cultures and maintain them in a controlled environment where temperature and gas concentrations are consistent. This way, pluripotent and multipotent stem cells can be maintained at optimum health from the moment of their derivation all the way to their eventual use in therapy.
Standard stem cell culture techniques suffer from several environmental constraints that place undue stresses on the cells and expose the cells to unacceptable risks of contamination. Among the stresses that cells may endure under standard cell culture conditions are precipitous changes in the levels of carbon dioxide and oxygen concentrations3,4. This occurs when the cells are moved from the incubator to the biosafety cabinet and/or microscope which may not be optimal for the cells. Previous studies have confirmed the advantages of culturing both pluripotent and neural stem cells in hypoxic conditions4,11, and for best results, these conditions need to be continuous. Moreover, risks of cellular contamination are higher as the laboratory environment and personnel impinge upon the cells at almost every step of their culture and manipulation. Traditional clean rooms comprise one effective method to greatly decrease contamination risks but they are expensive, have a large footprint and fail to address stressors related to carbon dioxide and oxygen concentrations.
A cell production facility that can address both contamination risks and gas concentrations and that can be qualified to meet cGMP criteria9 provides high quality cells for basic science research as well as clinical applications1,6,7. Such a cell production facility consists, at a minimum, of the following components: a process chamber, which acts as a heated workspace for the feeding and manipulation of cell cultures; a laminar flow hood, for the initial sterilization of reagents, tubes, and tools; two buffering airlock chambers in between the hood and the process chamber; two cell culture incubators accessible from the process chamber; a microscope chamber adjacent to the process chamber; and finally, computer software to set and monitor the conditions within these modules. Using this basic infrastructure, a wide variety of tasks can be performed, such as standard feeding and passaging of pluripotent stem cells and multipotent neural stem cells, as well as more specialized methods like Sendai virus-based reprogramming, in vitro migration studies, and differentiation of neural stem cells for electrophysiological characterization.
彼らはバックチャンバを顕微鏡とする処理チャンバにインキュベーターから移動すると、CPF内で増殖した細胞は、酸素や二酸化炭素の濃度に変化は見られません。各チャンバー内の条件は、細胞をインキュベーターから削除される前にセルが保持されている特定のインキュベーターに一致していることが重要です。装置内の雰囲気は、連続的にHEPAろ過され、酸素と二酸化炭素濃度に関してはカスタマイズ可能です。細胞は、それぞれ、標準のPSCまたはNSCのための濃度は、5%と9%で成長させることができます。または代替の濃度が異なる細胞タイプまたは特定の実験のために選択することができます。したがって、この装置は、医療グレードの酸素、二酸化炭素、及び窒素( 図4)の一定の源が供給されます。これらのガスのすべての3つは、一定の供給を確保ガス固有のマニホールドシステムによって供給されています。装置はまた、からなる校正ガス混合物が供給され酸素10%(±0.01%)、二酸化炭素。マニホールドシステムは、セル製造施設の外に収容され、ガスは、天井を介して施設にパイプされています。校正ガスは、施設内に収容されています。装置は、さらにまた、天井を通して、ハウス真空が供給されています。ユニットを送信する電子監視システム及び無線を使用して、すべてのマニホールドの出力圧力が常に監視されています。任意の圧力が範囲から外れる場合には、セル生産設備のオペレータは、自動的に電話をし、適切な処置をとることができるよう通知されます。
装置の電力要件は、6つの専用の120 V回路天井から下降し、一定の供給を確保するために、病院のバックアップ発電機に接続することによって満たされます。装置の動作は、無停電電源装置から給電PCベースのコンピュータにソフトウェアを介して制御されます。これらの電源とコンピュータの手配でも公共の電源システムに障害が発生した場合に継続的にシステム関数ことを確認してください。装置を制御するソフトウェアは、酸素と二酸化炭素濃度の制御、ならびに温度、湿度、及びチャンバ圧力を可能にするユーザーフレンドリーなグラフィカル・インターフェース( 図1)を有しています。すべてのこれらのパラメータの値は、連続的に、すべての装置パラメータの実行記録を提供するために記録されています。このデータは、それらの完全性を保護するために毎晩、リモートサーバー上にバックアップされます。コンピュータとソフトウェアが評価および/または任意のパラメータを変更するには、管理ユーザーがリモートでアクセスすることができます。また、コンピュータとソフトウェアは、装置パラメータの対話的な評価を可能にし、ローカルユーザーとトラブルシューティング、リモートからアクセスすることができます。追加の警報送信ユニットを装置に接続されたセル生産設備のオペレータは装置の任意の範囲外の状態が通知されるように。リモートアクセスCapabilitiesは、ログインして範囲外の状態を具体的に評価することができます。
装置は、モジュラーシステムの両方マクロとミクロの意味で設計されています。このようなインキュベータや処理室のような個々の細胞培養モジュールは、互いに対してそれらの寸法および要件に関して、ならびにそれらのレイアウトにカスタマイズすることができます。さらに、個々のモジュールの制御機能の多くは、それ自体は、モジュール、そのような個々の雰囲気ガスコントローラは、例えば、容易にシステムに重大な影響を与えることなく交換することができることです。
そのような細胞培養物の顕微鏡可視化および操作のための1つのような特殊な処理チャンバは、容易にシステムに適合されます。細胞は生きて染色することができ、そしてコロニーをt内部同じ大気条件に切開することができるように、位相差および蛍光顕微鏡の両方がシステム( 図6)内にあります彼はインキュベーター。処理室の側壁で密封されたグロメットを介して、ケーブルの配線は、通常はカート( 図6)に、このような電源やコンピュータなどの機器は、装置の外に保つことができます。
セル生産設備内の処理室は、従来のBSCとは異なる空気流パターンを有します。従来のBSCで、空気の流れは、中央排気口から流下した後、キャビネットの床の前方及び後方部分に二つの異なる吸気口によって取り込まれている2つの別々の流れ、に分かれます。これとは対照的に、CPFは、天井の前方部分で単一の通気口があります。空気が下向きにし、それがその後、吸気口の中に上向きに描かれている室の奥に向かって流れます。 CPFは、本質的に非常にきれいであるが、このユニークな気流パターンは、技術者がわずかに汚染のリスクを低減するために、それらの技術を調整しなければならないことを意味します。従来のBSC、ラボワーカーの場合と同様にhouldの回避は、オープン細胞培養プレートとメディアボトルの上流に手を置きます。しかし、上流の方向は、CPFに変更されました
セル生産設備の研究室自体はかなり標準であり、-20℃の冷凍庫を装備しています、-80℃の冷凍庫、4℃の冷蔵庫、遠心分離、および水浴。研究室では、便利なハンズフリー操作用のフット・コントロールとのシンクがあります。この研究室では、機能の臨床セル生産施設となるようにするためには、しかし、いくつかの追加の修正がまだなされなければなりません。まず、装置自体が揮発性有機化合物、微粒子、及び汚染除去のために使用される二酸化塩素の濃度を監視する能力を有するようにアップグレードされなければなりません。第二に、FACS機を含む処理チャンバは、バッファモジュールを介して収容し、装置の残りの部分に接続されてもよいです。これは、細胞選別とTRの精製を可能にします適切な環境条件下でansplantable細胞集団。最後に、装置全体が柔らかい壁クリーンルーム内に収容されなければなりません。これは装置5のための国際標準化機構(ISO)クラス8環境を提供します。
CPFの高い無菌性およびコンピュータ制御の性質は、細胞ベースの治療法との良好な製造プロセスと将来のアプリケーションのための理想的なシステムになります。汚染の危険性が大幅に緩和されるが、より重要なことには、細胞増殖の条件は、自動的に記録され、コンピュータシステムによってアーカイブされます。ガス濃度、温度、湿度、およびシステムへのアクセスのすべてのイベントの偏差は厳密に文書化されています。製品の品質上の問題を調査するときに非常に役立つことができます。しかし、まだ制限があります。任意および全ての試薬 および消耗品( 例えば、培地成分、ピペット、プレート)の使用量は、別々に文書化されなければなりません。加えますitionally、CPFの監視システムによって文書の変数とは全く無関係である生じる可能性がある(ヒューマンエラーの多くの形態を含む)の潜在的な問題が多数あります。このように、高度に訓練された人材とタスクの詳細なマニュアル文書化の必要性は、所定の位置に残ります。
The authors have nothing to disclose.
著者はXvivo囲まれた細胞培養系を使用することを学んで彼らの助けのためのBiospherixのスタッフ、特にマット・フリーマンを承認したいと思います。実験室でのインフラストラクチャを設定する際に自分の仕事のためのマイルズ&ケリー建設会社、Inc.のスタッフ、特にラス・ヒューズ。実験室の改造を調整中で自分の仕事のための設備とサポートサービスの小児病院オレンジ郡の部門のスタッフは、特にアダムLukhardとデヴィンHugie。データ管理インフラストラクチャおよびリモートアクセスを設定する際に彼らの助けのための情報システムのオレンジ郡部門の小児病院のスタッフは、特にベトナムトラン。オレンジカウンティエグゼクティブ・マネジメントチームの小児病院プロジェクトの彼らの長年の支援、特に博士マリア・ミノンやブレントDethlefsため。この作品は、子供のオレンジ郡の病院や再生Medicinためのカリフォルニア工科大学によって資金を供給されましたPHSへの補助金TR3-05476を通じて電子。すべての著者は、この作品にも同様に貢献しました。
Equipment | |||
Xvivo System | Biospherix | custom made | |
Xvivo Software | Biospherix | version i.o.2.1.2.1 | |
O2 Manifold | Amico | P-M2H-C3-S-U-OXY | |
CO2 Manifold | Amico | M2H-C3-D-U-CO2 | |
N2 Manifold | Western Innovator | CTM75-7-2-2-BM | |
Microscope with DP21 camera and fluorescence | Olympus Corporation | CKX41 | |
Reagents | |||
DMEM/F12 Glutamax | Life Technologies | 10565-018 | |
StemPro hESC Supplement | Life Technologies | A100006-01 | |
Accutase | Millipore | SCR005 | |
Phosphate-Buffered Sodium | Hyclone | 9236 | |
Fibroblast Growth Factor 2 | R&D Systems | AFL233 | |
Dimethyl sulfoxide | Protide | PP1130 | |
Hank's-based Cell dissociation Buffer | Life Technologies | 13150-016 | |
2-Mercaptoethanol | Life Technologies | 21985-023 | |
Epidermal Growth Factor | R&D Systems | AFL236 | |
Oct-3/4 Antibody | Millipore | AB3209 | |
TRA-1-60 Antibody | Millipore | MAB4260 | |
SSEA4 Antibody | Millipore | MAB4304 | |
BIT-9500 Serum Supplement | Stemcell Technologies | 9500 | |
Consumable Supplies | |||
2mL Serological pipet | VWR | 89130-894 | |
5mL Serological pipet | Olympus Plastics | 12-102 | |
10mL Serological pipet | Olympus Plastics | 12-104 | |
25mL Serological pipet | Olympus Plastics | 12-106 | |
50mL Serological pipet | Olympus Plastics | 12-107 | |
6-well plate | Corning | 353046 | |
12-well plate | Corning | 353043 | |
T25 flask | TPP | 90026 | |
T-75 flask | TPP | 90076 | |
20uL pipet tips | Eppendorf | 22491130 | |
200uL pipet tips | Eppendorf | 22491148 | |
1000 pipet tips | Eppendorf | 22491156 | |
Cryovials | Thermo Scientific | 5000.102 | |
70% ethanol | BDH | BDH1164-4LP | |
Sanimaster 4 | Ecolab | 65332960 | |
Bleach | Clorox | A714239 |