Spatially distributed growth factor environments for evaluating hydrogel-based CD34+ cell culture conditions
Questo studio introduce un sistema di coltura microfluidica che genera gradienti spaziali di fattori di crescita all'interno di idrogel di fibrina per consentire lo screening in tempo reale e ad alto rendimento delle condizioni ottimali per l'espansione delle cellule staminali ematopoietiche CD34+, offrendo un'alternativa più efficiente ai tradizionali metodi di coltura in sospensione.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Da decenni, i medici si affidano a un potente trattamento per i disturbi del sangue come la leucemia: il trapianto di cellule staminali sane capaci di produrre sangue. Queste cellule, note come cellule staminali ematopoietiche, hanno la capacità unica di ricostruire un intero sistema immunitario. Sebbene queste cellule possano essere raccolte dal midollo osseo o dal sangue, una promettente alternativa proviene dal sangue del cordone ombelicale, che è ricco di queste cellule vitali ed è più facile da prelevare senza rischi per il donatore. Tuttavia, una singola donazione contiene spesso troppo poche cellule per trattare un paziente adulto. Per risolvere questo problema, gli scienziati cercano di far crescere più cellule in laboratorio prima del trapianto. Attualmente, ciò viene fatto facendo galleggiare le cellule in bagni di nutrienti liquidi, un metodo che richiede enormi quantità di costoso liquido e spesso non riesce a imitare l'ambiente complesso e di supporto in cui queste cellule vivono naturalmente all'interno del corpo umano.
I ricercatori stanno esplorando un approccio diverso: far crescere queste delicate cellule all'interno di un materiale morbido e gelatinoso chiamato idrogel. Questo materiale funge da sostituto dell'impalcatura naturale presente nel midollo osseo, permettendo potenzialmente alle cellule di prosperare con meno sprechi e una maggiore efficienza. La sfida, tuttavia, consiste nel capire esattamente quali segnali chimici, o fattori di crescita, siano necessari per mantenere le cellule sane e in fase di proliferazione all'interno di questa gelatina. Nei bagni liquidi utilizzati oggi, gli scienziati spesso immettono alte concentrazioni di ogni noto fattore di crescita nel mix, sperando che qualcosa funzioni, il che è sia costoso che impreciso. Per trovare la ricetta perfetta senza sprecare risorse, un team di scienziati dell'Università del Queensland ha costruito un minuscolo laboratorio specializzato su un chip, in grado di testare molte diverse condizioni contemporaneamente.
Il team ha creato un dispositivo microfluidico, un piccolo chip di plastica con canali microscopici, progettato per contenere una sezione quadrata di questa gelatina contenente cellule. Il chip è progettato in modo che quattro diversi fattori di crescita possano essere introdotti ai quattro angoli della sezione di gelatina. Man mano che queste sostanze chimiche fluiscono, si diffondono e si mescolano naturalmente, creando un gradiente fluido di concentrazioni sulla superficie. Ciò significa che un lato della gelatina potrebbe avere una quantità elevata di un fattore, mentre il lato opposto ne abbia pochissima, con ogni possibile combinazione esistente nel mezzo. Posizionando le cellule staminali del cordone ombelicale umano in questa configurazione, i ricercatori hanno potuto osservare come le cellule reagivano a migliaia di diversi ambienti chimici simultaneamente, il tutto all'interno di un singolo esperimento.
Hanno riempito il dispositivo con un idrogel a base di fibrina, un materiale derivato dalle proteine del sangue che è abbastanza delicato da sostenere le cellule. Hanno seminato il chip con milioni di cellule staminali e lo hanno posto sotto un microscopio all'interno di un incubatore. Nel corso di cinque giorni, il sistema ha scattato migliaia di immagini, catturando le cellule mentre si muovevano, si dividevano e cambiavano forma. Utilizzando un software avanzato, il team ha analizzato queste immagini per contare ogni singola cellula e tracciarne la posizione, permettendo loro di vedere esattamente dove le cellule crescevano e dove morivano. Hanno testato quattro specifici fattori di crescita: due che sono già noti per aiutare le cellule staminali e due che si trovano nel fegato fetale ma che sono meno compresi nella coltura di cellule adulte.
I risultati hanno mostrato che le cellule non crescevano uniformemente attraverso la gelatina. Al contrario, mostravano una distribuzione asimmetrica, con una marcata preferenza verso i confini del dispositivo contenenti il fattore cellulare (stem cell factor) e la trombopoietina. Al contrario, nelle aree dominate dagli altri due fattori, la crescita era molto minore. Il team ha anche osservato che le cellule cambiavano aspetto nel tempo, rimpicciolendosi e perdendo i loro marcatori originali, il che suggeriva che stavano iniziando a trasformarsi in globuli rossi invece di rimanere come cellule staminali. Questo cambiamento avveniva anche nei gruppi di controllo, suggerendo che il materiale della gelatina stessa potrebbe stare spingendo le cellule verso un destino specifico.
Seb\ l' dispositivo ha mappato con successo dove le cellule preferivano crescere, i ricercatori hanno notato un limite nel loro design. I segnali chimici non si sono diffusi quanto sperato; le aree in cui i fattori meno comuni erano abbastanza forti da agire erano piuttosto piccole. Ciò significa che molte cellule al centro del chip non stavano ricevendo la gamma completa di segnali necessari per rimanere sane. Il team sospetta che se avessero reso il chip più piccolo, o avessero regolato il flusso dei prodotti chimici, avrebbero potuto creare un ambiente più efficace. Nonostante ciò, l'esperimento ha dimostrato che questo tipo di micro-chip può rivelare esattamente come le cellule staminali reagiscono a miscele complesse di fattori di crescita in un modo che le colture liquide tradizionali non possono fare.
Lo studio conclude che questa tecnologia offre un nuovo e potente modo per esaminare le condizioni ideali necessarie per far crescere le cellule staminali per la terapia. Identificando la miscela precisa di sostanze chimiche che incoraggia l'espansione senza causare il cambiamento delle cellule nel tipo sbagliato, gli scienziati possono allontanarsi dai metodi basati sul tentativo ed errore e sui costi elevati. I ricercatori suggeriscono che versioni future di questo dispositivo potrebbero essere utilizzate per testare combinazioni ancora più complesse di fattori, portando potenzialmente a trattamenti più economici ed efficaci per i pazienti in attesa di trapianti di cellule ematiche salvavita. Il lavoro dimostra che, imitando la complessità naturale del corpo umano su scala minuscola, possiamo imparare come nutrire meglio le cellule che salvano la vita.
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