發(fā)布日期：2017-11-13
人類干細(xì)胞被認(rèn)為是醫(yī)療領(lǐng)域的新希望。在未來，它們有望用于治療大范圍的疾病，例如神經(jīng)退行性疾病。來自Fraunhofer的研究人員開發(fā)了一種稱為LabBag一體化的系統(tǒng)，它是一個透明的袋子，能夠為科學(xué)家提供低廉的、快速的、無菌的方式，用于干細(xì)胞的生長、鑒別以及冷凍，所產(chǎn)生的細(xì)胞模型可以用于獨(dú)立測試和藥物開發(fā)。在成功測試了這個系統(tǒng)后，研究人員將在11月13日至16日在德國杜塞爾多夫的MEDICA貿(mào)易博覽會上展示了一個原型。
微型實驗室長150毫米，寬120毫米，高20毫米。螺旋蓋采用3D打印。親水點(diǎn)在袋子的上表面可見。圖片來源：Fraunhofer IST
全世界的科學(xué)家都在尋找通過干細(xì)胞治療疾病的方法。這些細(xì)胞提供了開發(fā)新的治療方法和藥物的潛力。干細(xì)胞材料使得我們可以用一種前所未有的方式來進(jìn)行疾病的研究。此外，最新的研究表明，3D細(xì)胞模型可以更準(zhǔn)確地反映人體的狀況。這些細(xì)胞聚集體主要是在無菌的條件下，在液滴狀的營養(yǎng)溶液中產(chǎn)生。在未來，我們需要以廉價和可靠的方式完成這一過程。
作為LabBag項目的一部分，F(xiàn)raunhofer生物醫(yī)學(xué)工程研究所，F(xiàn)raunhofer表面工程和薄膜材料研究所，以及Fraunhofer工藝工程和包裝IVV的研究所匯集了他們的專業(yè)知識，開發(fā)了一個塑料袋形式的微型實驗室。在這個袋子里，人類誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞可以在無菌環(huán)境中生長并形成3D聚集體。這些細(xì)胞可以成為制藥工業(yè)用于患者或疾病特異性的藥物開發(fā)，以及對活性成分進(jìn)行研究的測試系統(tǒng)。
3D細(xì)胞模型可以在懸掛的液滴中形成。圖片來源：FraunhoferIST
到目前為止，干細(xì)胞聚集可以通過使用移液機(jī)器人系統(tǒng)或手動移液的方式生產(chǎn)，前者需要昂貴的購買和維護(hù)成本，而后者是勞動和時間密集型模式，對于人力有著相當(dāng)大的耗費(fèi)。在培養(yǎng)皿中手動吸移需要大量的練習(xí)，而且也有污染的危險。Fraunhofer研究人員開發(fā)的“袋子里的實驗室”旨在降低勞動力和材料的成本，同時顯著提高細(xì)胞的產(chǎn)量和過程的可靠性。Labbag的操非常簡單只需搖動透明的袋子，僅僅幾秒鐘的時間就能產(chǎn)生幾百滴懸掛的營養(yǎng)液，幾乎是自動的。首先，將含有干細(xì)胞的營養(yǎng)溶液倒入袋子中。袋子被旋轉(zhuǎn)一次，然后回到最初的位置。在此過程中，液滴仍懸浮在親水點(diǎn)周圍。這些液滴作為微型生物反應(yīng)器，想要的3D細(xì)胞聚集體可以在其中形成。這些細(xì)胞沉到液滴的底部，它們結(jié)合在一起，融合成一個固定的三維聚合體。
Fraunhofer的項目管理者科學(xué)家MichaelThomas博士解釋說，“我們在聚合物膜上涂上了兩種不同的涂層”。一層是疏水的，疏水的基層確保含有蛋白質(zhì)的營養(yǎng)液在表面流動，卻不會粘附在上面。第二層由150個親水的圓斑組成，每一個直徑為5毫米。營養(yǎng)液就會被這些斑點(diǎn)捕獲，從而產(chǎn)生液滴。
每一滴的體積約為20微升，3D細(xì)胞模型的大小約為400微米。通過改變袋子表面上斑點(diǎn)的直徑，可以調(diào)整團(tuán)聚體的大小。目前，Neubauer博士和她的團(tuán)隊需要大約72小時的時間來生產(chǎn)懸浮液滴的聚合體。“我們將LabBag描述為一個微型GMP實驗室，它符合所有的要求，封閉的、無菌的系統(tǒng)使得污染的風(fēng)險很小。”Neubauer博士強(qiáng)調(diào)，“最終，我們可以為藥物研究生產(chǎn)出更好的細(xì)胞模型，從而避免在動物身上進(jìn)行實驗。”
LabBag?的優(yōu)點(diǎn)之一是細(xì)胞模型甚至可以直接在袋子里凍結(jié)。與人工吸液不同的是，不再需要將材料轉(zhuǎn)移到單獨(dú)的低溫容器中。如何優(yōu)化低溫貯藏——也就是冷凍細(xì)胞，就要依賴于Fraunhofer IBMT的職責(zé)了。此外，這一研究所還負(fù)責(zé)培育干細(xì)胞，并對3D聚集體進(jìn)行表征和分析。“我們關(guān)注的是生產(chǎn)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPS)，因為這些干細(xì)胞有可能發(fā)展成身體內(nèi)的任何細(xì)胞，也有可能發(fā)展成任何組織或特定類型的組織。與胚胎干細(xì)胞不同的是，它們不會引發(fā)任何倫理爭議”，F(xiàn)raunhofer IBMT的生物學(xué)家Julia Neubaue說。干細(xì)胞變成特定的形狀和功能，以完成某些任務(wù)，這使得開發(fā)患者的特異性藥物成為可能。Neubauer博士和她的同事們正專注于心肌細(xì)胞的分化，并且已經(jīng)成功地將iPS細(xì)胞分化為這種類型的細(xì)胞。
這款一次性塑料袋的原型所營造的微型GMP實驗室為制藥工業(yè)提供了一個機(jī)會，同時，它也提供了一種適合小型實驗室，不需要潔凈間的技術(shù)。即使在沒有高投資成本的情況下，這一技術(shù)仍然可以為藥物研究提供高質(zhì)量的細(xì)胞模型。
參考資料
[1] Laboratory in a bag
來源：康健新視野（微信號 HealthHorizon）
