Röportaj: Kök Hücre Araştırma ve Yüzey-Modifiye 3D-Yapı iskeleleri Biyoreaktörler

Benim adım Karlan ve Biyolojik Arayüzler Enstitüsü'nde biyofizikçi olarak çalışıyorum. Cal Screw Teknoloji Enstitüsü'nde, fonksiyonel dokuların kültürü ve kök hücre araştırmaları için biyoreaktörler ve yüzeyi modifiye edilmiş üç boyutlu iskeleler geliştiriyoruz; temel olarak hücrelerin yapay çevreleriyle olan etkileşimleriyle ilgileniyoruz. 2003 yılında Nature'da yayımlanan bir editör yazısında, düz biyoloji (flat biology) ile ne kastedildiği sorusu sorulmuştu; peki bu ifadeyle ne kastedilmektedir?

Geçmişte, başta monotabaka kültürler olmak üzere birçok in vitro kültür sistemi, örneğin diferansiye olmuş primer hücrelerin nispeten kısa ömürlü olması ve kültür sırasında dediferansiyasyon geçirmesi gibi dezavantajlardan muzdaripti. Bu durum, bu hücrelerin organa özgü fonksiyonlarının çoğunu çok hızlı bir şekilde kaybettikleri anlamına geliyordu. Bu nedenle, bu hücreler için in vitro ortamda daha iyi koşullar yeniden oluşturabilmek adına, konvansiyonel monotabaka kültürlerde birçok farklı modifikasyon ve adaptasyon yapılmıştır.

Buna kültür ortamının bileşimi ve hücrelerin ağırlıklı olarak tek tabakalar oluşturduğu kültür kaplarının kaplamasının hazırlanması da dahildir. Tüm bu yaklaşımlar, hücre-matriks etkileşimlerinin yanı sıra hücreden hücreye iletişimin önemini göstermektedir. Bir diğer önemli husus ise, örneğin in vivo ortamdaki birçok hücrenin ortak özelliği olan gap junctional kompleksleri aracılığıyla gerçekleştirilen hücreye özgü bağlamların oluşturulması gibi görünmektedir.

Konvansiyonel tek tabakalı kültürlerde gap junctional iletişim hızla kaybolur. Uzun bir süre boyunca, sözde steroid tekniği kullanılarak hücrelerin doku benzeri bir düzenlemesi in vitro ortamda bir dereceye kadar yeniden oluşturulabilmiştir.

Laboratuvarımızdan bir örnek olarak, yetişkin ru hepatositlerin bu agregatlarda steroid oluşturabildiğini ve en az birkaç hafta boyunca canlı kaldığını gösterebildik. Hepatositler birbirleriyle yakın temas halinde kalarak hücresel iletişimi teşvik etmekte, bu da hepatosite özgü fonksiyonların stabilizasyonuyla sonuçlanmaktadır. Ancak, bu geleneksel üç boyutlu kültür tekniğinin çeşitli dezavantajlarının olduğunu da tespit ettik.

Agrega boyutu kritiktir. Büyük agrega çapları nekroza yol açabilir ve çoğu durumda, besiyeri hacminin hücreye oranı uygun değildir. Ayrıca, kesme kuvvetleri ve spinner kültürleri sorun yaratabilir.

Canlı organizmalardaki organlar ve dokular, diğer özelliklerinin yanı sıra çok yüksek hücre yoğunlukları ile karakterize edilir; aynı zamanda maddelerin bu doku tabakaları boyunca aktif transportu da önemli bir özelliktir. Bu nedenle, gerçekçi organotipik in vitro doku modelleri, bu doğal mimariyi mümkün olduğunca yakından yeniden inşa etmelidir. Ve bu tür sistemlerin sınırlandırılması için temel bir belirleyici, besiyeri ile hücre hacmi arasındaki uygun orandır.

Daha önce belirttiğim gibi, hücre agregatlarının üç boyutlu kültürü için eşit boyutlu kaplar sunan, hassas bir şekilde mikro yapılandırılmış polimer iskele şeklinde uygun bir hücre yuvası tasarladık. Polimer iskele için tercihen PMMA veya PC polieter veya polikarbonat kullanıyoruz. Bu yapı, 1000'den fazla bu tip kabın yoğun bir dizisini sunan, bir santimetrekare boyutunda mikro yapılandırılmış düzlemsel bir cihazdan oluşmaktadır.

Hücre agregatlarının üç boyutlu kültürü için, birkaç hafta boyunca 3B hücre kültürüne uygun olduğu gösterilmiştir. Dizideki bu küçük kübik kapların her birinin kenar uzunluğu yaklaşık 300 Micrometers'dır. Bu iskelenin ve çevre birimin, yani inkübasyon odasının özel tasarımı.

Ektör ortamı ve gaz beslemesi, farklı ortam besleme modlarına olanak tanır. Birincisi superfüzyondur; bu, dokunun her iki tarafının besleyici ortamla ayrı ayrı beslendiği anlamına gelir ve ikincisi ise perfüzyondur.

Bu, ortam akışının doku tabakasına nüfuz etmeye zorlandığı anlamına gelir. Perfüzyon modu, in vivo vaskülarizasyonu daha iyi taklit eden koşullar oluşturmak için kullanılabilir ancak perfüzyon ve süperfüzyonun karma bir modu da mümkündür. Farklı hücre çipi nesilleri geliştirilmiştir.

Her nesil, herhangi bir özel uygulamanın ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla belirli bir tasarımla kullanılabilir. Örneğin, tekli ve çiftli çip biyoreaktör tasarımlarının yanı sıra, ayrı ayrı adreslenebilir çoklu titrasyon düzenekleri veya yüksek derecede paralelleştirilmiş varyantlar oluşturulmuştur. Bu farklı formların son nesli için ölçeklendirilmiş versiyonlar olarak, mikro termoformlanmış kaplar olarak adlandırılan belirli bir teknoloji geliştirilmiştir; bu teknoloji, burada 3D formlu bu kapların tüm yüzeyini modifiye etme, hatta sinyal molekülleri ile altmikron ölçeğinde bir yüzey desenlemesi yapma imkanını da sunmaktadır.

Ayrıca, sensörler ve sinyal elektrotları da entegre edilebilir. Uygulamalar; temel araştırmalardan hücre biyolojisine, toksikolojiden farmakolojiye kadar geniş bir yelpazeye yayılır ve yüksek kapasiteli tarama uygulamaları da mümkündür. Son olarak çok önemli bir nokta, mikro termoform çiplerimizin son neslinin, ucuz kütle üretimi süreçlerine olanak tanıyacak şekilde optimize edilmiş olması ve bu sayede diğer laboratuvarlarda uygulamaya uygun hale getirilmiş olmasıdır.