Komórki wątrobowe są bardzo wrażliwe, dlatego trudno je hodować poza organizmem. Naukowcy z Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza Polskiej Akademii Nauk w Warszawie pokazują jednak, że dzięki odpowiedniej konstrukcji mikroreaktora taka hodowla jest możliwa. Zaprezentowany demonstrator można potencjalnie wykorzystać do prób budowy biosztucznej wątroby.

1. W przepływowym mikroreaktorze biochemicznym, zbudowanym w Instytucie Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie, można hodować hepatocyty - komórki wątrobowe. (Źródło: IBIB PAN)

We współczesnych laboratoriach ludzkie i zwierzęce komórki najczęściej rosną i mnożą się w standardowych naczyniach hodowlanych, w warunkach znacznie różniących się od panujących w żywym organizmie. Fakt ten utrudnia - a niekiedy nawet uniemożliwia - właściwy rozwój wielu rodzajów komórek. W Instytucie Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza Polskiej Akademii Nauk (IBIB PAN) w Warszawie właśnie zaprezentowano demonstrator mikroreaktora przepływowego do hodowli hepatocytów. Komórki te, występujące w wątrobie, są uważane za szczególnie wybredne pod względem warunków hodowli.

"W przeciwieństwie do klasycznych hodowli komórkowych w naczyniach, w mikroreaktorach istnieje możliwość precyzyjnego kontrolowania warunków otoczenia komórek, gwarantująca im doskonałe warunki wzrostu. Jednak ponieważ hepatocyty mają bardzo duże wymagania, ich spełnienie nawet w układzie mikroprzepływowym nie jest proste", mówi dr hab. inż. Dorota Pijanowska, prof. IBIB PAN.

Zbudowane w IBIB PAN bioreaktory mikroprzepływowe to niewielkie, mieszczące się w dłoni płytki z przezroczystego polimeru. Każdy bioreaktor powstaje poprzez sklejenie dwóch cieńszych płytek, przy czym przed połączeniem badacze w jednej z nich wykonują układ mikrokanalików i prostopadłościennych, płaskich komór hodowlanych (można to zrobić np. przez odciśnięcie "stempla" - krzemowej matrycy). Po połączeniu płytek, do komór hodowlanych bioreaktora wprowadza się komórki. Przepływająca przez układ pożywka w sposób ciągły dostarcza komórkom substancje odżywcze oraz odprowadza metabolity.

Komórki wątrobowe mają wysokie zapotrzebowanie na tlen. Zapewnienie im dostatecznej ilości tego pierwiastka w całej przestrzeni komory hodowlanej bioreaktora okazało się trudne. "Ze względu na stosunkowo niską rozpuszczalność tlenu w pożywce, w hodowlach komórek aktywnych metabolicznie przy małych prędkościach przepływu może dochodzić do powstawania gradientu stężenia tlenu w komorze hodowlanej", tłumaczy dr Barbara Wawro (IBIB PAN). Komórki bliższe wlotowi kanału z pożywką mają wtedy tlenu pod dostatkiem, podczas gdy znajdujące się dalej pozostają niedotlenione.

2. Komórki wątrobowe we wnętrzu komory hodowlanej mikroreaktora biochemicznego, zbudowanego w Instytucie Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. (Źródło: IBIB PAN)

"Problem był poważny. W wielu przypadkach można go rozwiązać po prostu zwiększając prędkość przepływu pożywki przez komorę hodowlaną. Niestety, większa prędkość przepływu oznacza wzrost naprężeń ścinających, a komórki wątrobowe są na nie bardzo wrażliwe. Dlatego my musieliśmy szukać innych rozwiązań", wyjaśnia dr Wawro.

Badacze wykorzystali własności polimeru, z którego budowano mikroreaktor. Polidimetylosiloksan (PDMS) charakteryzuje się jedną z największych przepuszczalności dla gazów. W nowym bioreaktorze komórki rosną na membranie z PDMS grubości 150 mikrometrów. Jest ona dostatecznie wytrzymała, by umożliwiać normalną eksploatację urządzenia, a jednocześnie tak cienka, że tlen z otoczenia może przenikać do wnętrza komory hodowlanej. Niewielka wysokość komory - zaledwie 100 mikrometrów - gwarantuje swobodną dyfuzję gazu w całej objętości bioreaktora i zapewnia znajdującym się w nim hepatocytom równomierny dostęp do tlenu.

Dodatkową zaletą tak skonstruowanego mikroreaktora jest możliwość prowadzenia podczas hodowli ciągłej obserwacji mikroskopowej mnożących się komórek.

Obecnie trwają prace nad zmodyfikowaniem bioreaktora. Uczestniczy w nich zespół naukowców z Politechniki Łódzkiej, odpowiedzialny za pokrywanie powierzchni płytek PDMS warstwami diamentopodobnymi o zróżnicowanej teksturze. Warstwy tego typu wpływają na wzrost komórek i mogą umożliwiać kształtowanie się ich pożądanych cech. Z kolei inżynierowie z Akademii Górniczo-Hutniczej zajmują się rozwijaniem narzędzi do optoelektronicznej detekcji komórek.

"W pojedynczym bioreaktorze nie ma zbyt wielu hepatocytów. Ale nasze bioreaktory mają budowę modułową i można je będzie ze sobą zestawiać. W przyszłości taki zespół potencjalnie mógłby być dostatecznie wydajny, by funkcjonować jako sztuczna wątroba", zauważa prof. Pijanowska.

Budowa mikroreaktora do hodowli komórek wątrobowych była jednym z zadań dobiegającego końca projektu MNS-DIAG (Mikro- i NanoSystemy w Chemii i Diagnostyce Biomedycznej), finansowanego z europejskiego Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. W projekcie, koordynowanym przez Instytut Technologii Elektronowej (który był m.in. wykonawcą krzemowych matryc do wytłaczania mikrokanałów bioreaktora), uczestniczy 14 zespołów badawczych z czołowych krajowych instytucji naukowych. Wśród nich znajdują się wyższe uczelnie techniczne, medyczne i rolnicze oraz instytuty badawczo-rozwojowe i PAN.

Wynikiem współpracy przy realizacji projektu MNS-DIAG jest pięć demonstratorów analityczno-diagnostycznych, przeznaczonych do wykrywania środków psychotropowych w organizmie człowieka, analizy nanolitrowych ilości wydzielin ustrojowych w celu badania stanów patologicznych lub określania faz płodności, hodowli komórek biologicznych (tkanek) o kontrolowanych cechach, badania wybranych cech stanu organizmu człowieka z użyciem technologii mikrosystemów, oraz detekcji bakterii Gram-ujemnych i wydzielanych przez nie endotoksyn.

Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza Polskiej Akademii Nauk (IBIB PAN) w Warszawie jest największym centrum badawczym w dziedzinie inżynierii biomedycznej w Polsce. Główne kierunki badawcze Instytutu to biopomiary w połączeniu z komputerowym przetwarzaniem danych i ich analizą do celów diagnostyki medycznej oraz wspomaganie i zastępowanie utraconych funkcji organizmu przy użyciu narzędzi technicznych i hybrydowych (techniczno-biologicznych) z uwzględnieniem matematycznych i fizycznych modeli wybranych narządów i układów fizjologicznych oraz ich symulacji komputerowej. W Instytucie funkcjonuje Centrum Doskonałości zajmujące się sztucznymi i hybrydowymi narządami wewnętrznymi wspomagającymi metabolizm. IBIB PAN jest koordynatorem krajowej sieci naukowej BIOMEN, prowadzącej badania w dziedzinie inżynierii biomedycznej. Wyniki prac badawczych IBIB PAN, w postaci oryginalnych systemów diagnostycznych i metod terapeutycznych, wdrożono do praktyki klinicznej w wielu polskich ośrodkach medycznych.

Źródło: Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza Polskiej Akademii Nauk.