A plataforma de cultura celular microfluídica automatizada modular reduz o estresse glicolítico em organoides do córtex cerebral

Apr 27, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 20173 (2022) Citar este artigo

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Os sistemas organ-on-a-chip combinam microfluídica, biologia celular e engenharia de tecidos para cultivar modelos in vitro específicos de órgãos 3D que recapitulam a biologia e a fisiologia de suas contrapartes in vivo. Aqui, desenvolvemos uma plataforma multiplex que automatiza a cultura de organoides individuais em microambientes isolados em taxas de fluxo de mídia definidas pelo usuário. Os fluxos de trabalho programáveis ​​permitem o uso de vários reservatórios de reagentes que podem ser aplicados para direcionar a diferenciação, estudar variáveis ​​temporais e cultivar culturas a longo prazo. Novas técnicas na fabricação de chips de polidimetilsiloxano (PDMS) são descritas aqui que permitem recursos nos planos superior e inferior de um único substrato PDMS. A análise de sequenciamento de RNA (RNA-seq) de culturas organoides automatizadas do córtex cerebral mostra benefícios na redução do estresse glicolítico e do retículo endoplasmático em comparação com culturas celulares in vitro convencionais.

A cultura de células tem sido o principal modelo para estudar doenças e desenvolvimento humano por mais de 70 anos, desde o isolamento de células HeLa de uma biópsia de câncer cervical humano1,2. Originalmente usado como um veículo para pesquisar vírus, os protocolos de cultura de células humanas foram otimizados para um crescimento rápido e fácil para produzir grandes quantidades de material. Embora os protocolos de cultura de tecidos tenham avançado, principalmente na redução de muitos componentes do meio, muitas dessas receitas originais permanecem em vigor. Ainda há muito espaço para melhorar os protocolos de cultura de tecidos para imitar as concentrações, o fornecimento e a remoção de nutrientes fisiológicos. A microfluídica automatizada nos permite ir além dos protocolos tradicionais, alimentando em taxas e precisão não viáveis ​​manualmente.

Avanços recentes em células-tronco e biologia do desenvolvimento geraram modelos mais precisos que se assemelham a aspectos do tecido humano primário3,4. As células-tronco embrionárias humanas (hES) e as células-tronco pluripotentes induzidas (iPS), coletivamente chamadas de células-tronco pluripotentes (PSCs), têm o potencial de se diferenciar na maioria dos tipos de células do corpo, e os protocolos capitalizam isso para gerar modelos de cultura 3D para tecidos humanos, incluindo cérebro, intestino, fígado e mama5,6. Essas culturas de células específicas de órgãos, automontadas, chamadas de organoides, são amplamente utilizadas como modelos in vitro em pesquisa de desenvolvimento, patogênese e medicina7,8,9. Os organoides imitam as principais características funcionais da fisiologia de sua contraparte de tecido primário com mais precisão do que as culturas de células 2D6. Além do uso como modelos in vitro, os organoides também estão sendo explorados para aplicações em medicina regenerativa e saúde como tecidos para implantes5. À medida que a tecnologia abre novas fronteiras, há uma necessidade crescente de melhores métodos para cultivar, controlar e analisar culturas de organoides. Existe a necessidade de diminuir o intervalo entre as culturas in vitro e o tecido primário. Esforços como os avanços mostrados aqui aproveitam a microfluídica de precisão, a automação robótica e a detecção sem contato para permitir uma cultura de células robusta e reprodutível otimizada para a fidelidade do tecido.

A capacidade dos organoides derivados de PSC de se automontar e gerar muitos tipos de células específicas de tecido os torna particularmente úteis para modelar tecidos e sistemas complexos. O cérebro contém algumas das mais altas complexidades do corpo humano, e os pesquisadores podem gerar modelos de alta qualidade de diferentes regiões do cérebro com a tecnologia organoide. Os organoides cerebrais são uma forma de organoide cerebral que modela a fisiologia do córtex cerebral, contendo muitos tipos de células específicas do córtex e sub-regiões10. Esses organoides são amplamente utilizados para pesquisas sobre desenvolvimento cerebral pré-natal11,12,13, patologias cerebrais14 e testes terapêuticos15. Os organoides cerebrais crescerão até alguns milímetros de diâmetro durante a cultura prolongada e podem ser mantidos em cultura indefinidamente16.