Wissenschaftler des MIT und des Indian Institute of Technology Madras haben kleine Mengen selbstorganisierenden Hirngewebes, sogenannte Organoide, in einem winzigen 3D-gedruckten System gezüchtet, das die Beobachtung während des Wachstums und der Entwicklung ermöglicht. Die Arbeit wurde in Biomicrofluidics veröffentlicht.
Die derzeitige Technologie zur Echtzeitbeobachtung wachsender Organoide beinhaltet die Verwendung kommerzieller Kulturschalen mit vielen Vertiefungen in einer Platte mit Glasboden, die unter einem Mikroskop platziert wird. Die Platten sind kostspielig und nur mit bestimmten Mikroskopen kompatibel. Sie erlauben nicht den Fluss oder das Nachfüllen eines Nährmediums zum wachsenden Gewebe.
Neuere Entwicklungen nutzen eine Technik, die als Mikrofluidik bekannt ist, bei der ein Nährmedium durch kleine Schläuche zugeführt wird, die mit einer winzigen Plattform oder einem Chip verbunden sind. Diese mikrofluidischen Geräte sind jedoch teuer und schwierig in der Herstellung.
Der aktuelle Fortschritt nutzt den 3D-Druck, um eine wiederverwendbare und leicht anpassbare Plattform zu schaffen, die in der Herstellung nur etwa 5 US-Dollar pro Einheit kostet. Das Design umfasst bildgebende Vertiefungen für die wachsenden Organoide und mikrofluidische Kanäle, um ein Nährmedium und eine Vorwärmung bereitzustellen, die das Gewebewachstum unterstützen.
Für das 3D-gedruckte Gerät wurde ein biokompatibler Harztyp verwendet, der in der Zahnchirurgie eingesetzt wird. Der gedruckte Chip wurde durch Bestrahlung mit UV-Licht gehärtet und anschließend sterilisiert, bevor lebende Zellen in die Vertiefungen gegeben wurden. Nachdem die Oberseite der Vertiefungen mit einem Glasschieber versiegelt wurde, wurden das Nährmedium und die Medikamente für die Studie durch kleine Einlassöffnungen hinzugefügt.
"Die Kosten für unser Design sind deutlich niedriger als bei traditionellen Petrischalen- oder Spin-Bioreaktoren-basierten Organoid-Kulturen", sagt Autor Ikram Khan. "Darüber hinaus kann der Chip mit destilliertem Wasser gewaschen, getrocknet und autoklaviert werden und ist somit wiederverwendbar."
Die Forscher testeten ihr Gerät mit Organoiden, die von menschlichen Zellen stammen. Sie beobachteten die wachsenden Hirnorganoide mit einem Mikroskop und konnten ihr Wachstum und ihre Entwicklung sieben Tage lang erfolgreich verfolgen. Das kleine Stück Hirngewebe entwickelte einen Hohlraum oder ein Ventrikel, umgeben von einer selbstorganisierenden Struktur, die einem sich entwickelnden Neokortex ähnelt.
Der Prozentsatz der Zellen im Kern des Organoids, die während dieser einwöchigen Periode abstarben, war in dem 3D-gedruckten Gerät geringer als unter normalen Kulturbedingungen. Die Forscher glauben, dass ihr Zelldesign das winzige wachsende Gehirn schützt.
Khan sagte: "Ein Vorteil unseres mikrofluidischen Geräts ist, dass es eine konstante Perfusion der Kulturkammer ermöglicht, die eine physiologische Gewebedurchblutung besser nachahmt als die herkömmliche Kultur, und so den Zelltod im Organoidkern reduziert."
Die Forscher hoffen, die Kapazität ihres Geräts zu erhöhen, indem sie die Anzahl der verfügbaren Wells skalieren. Andere Verbesserungen werden es ermöglichen, zusätzliche Instrumente in das Design zu integrieren.
Originalveröffentlichung: Ikram Khan et al.; "A low-cost 3D printed microfluidic bioreactor and imaging chamber for live-organoid imaging featured"; Biomicrofluidics 15, 024105 (2021)