Produrre cellule staminali in modo più efficace ed economico su scala industriale
Meno plastica, maggiore resa: la produzione di cellule staminali è destinata a passare dalle piastre di coltura ai bioreattori
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Le cellule staminali offrono numerose nuove applicazioni nella ricerca e nell’industria. Tradizionalmente, vengono coltivate in laboratorio sotto forma di strati cellulari bidimensionali. Tuttavia, questo metodo non è adatto alla produzione commerciale su larga scala. Il consorzio di ricerca coordinato dalla MHH mira ora a cambiare questa situazione e a sviluppare una piattaforma di produzione adatta all’uso industriale.
Le cellule staminali pluripotenti (PSC) sono tra le fonti cellulari più promettenti nella medicina rigenerativa. Le terapie derivate dalle PSC sono già oggetto di studio in oltre 100 studi clinici per una vasta gamma di patologie – dal morbo di Parkinson e dall’insufficienza cardiaca al diabete di tipo 1. Tuttavia, tutte le potenziali applicazioni devono affrontare la stessa sfida: come è possibile produrre queste cellule in modo affidabile ed economicamente vantaggioso su scala industriale, affinché le terapie rimangano accessibili per i sistemi sanitari in futuro, in particolare quando per un singolo trattamento è necessario un gran numero di cellule? Il progetto “INDUZELL”, guidato dal Prof. Dr. Robert Zweigerdt – biologo cellulare e responsabile del gruppo di ricerca presso i Laboratori di Ricerca Leibniz per la Biotecnologia e gli Organi Artificiali (LEBAO) all’interno del Dipartimento di Chirurgia Cardiotoracica, Trapianti e Chirurgia Vascolare presso la Scuola di Medicina di Hannover (MHH) – sta affrontando questo problema. Il consorzio comprende anche l’Università Leibniz di Hannover, l’Università di Scienze Applicate e Arti di Hannover e l’Università di Scienze Applicate di Emden/Leer. Il progetto è finanziato dal Fondo europeo di sviluppo regionale (FESR) con circa 1,4 milioni di euro in tre anni.
Dalla produzione 2D a quella 3D
«Le cellule staminali pluripotenti, in quanto materia prima illimitata e rinnovabile, possono essere trasformate praticamente in qualsiasi tipo di cellula», spiega il professor Zweigerdt. «Offrono quindi numerose nuove applicazioni: dai prodotti cellulari terapeutici in medicina allo sviluppo di principi attivi più efficaci nell’industria farmaceutica, fino alla produzione di carne per l’alimentazione alternativa». Ad oggi, in molti laboratori queste cellule vengono ancora coltivate in piastre di coltura cellulare. Questa coltivazione bidimensionale comporta una resa relativamente bassa, richiedendo al contempo una grande quantità di spazio ed energia, oltre a generare una notevole quantità di rifiuti di plastica. Non è adatta alla produzione su scala industriale. I ricercatori, tuttavia, si stanno concentrando sulla coltura 3D in bioreattori industriali standard a serbatoio agitato in vetro. Il gruppo di ricerca di Zweigerdt è leader mondiale nello sviluppo di tali processi. Nel loro progetto stanno sviluppando una piattaforma di produzione che, all’interno di un sistema chiuso, garantisca un’elevata resa cellulare con qualità costante in modo automatizzato, affidabile e riproducibile. «Vogliamo ottimizzare la produzione cellulare in coltura in sospensione e aumentare il volume dei bioreattori dagli attuali due litri fino a dieci litri», afferma il biologo cellulare.
Coltura con cellule crioconservate
Per la coltura, la coltura 3D deve essere seminata direttamente con scorte di cellule congelate. Questo processo, noto in termini tecnici come crioconservazione, presenta diversi vantaggi: le cellule congelate mantengono le loro proprietà per anni senza subire alterazioni incontrollate. «Nel nostro caso, ciò significa che le PSC mantengono garantita la loro pluripotenza, ovvero la loro capacità di essere riprogrammate in altri tipi cellulari», afferma il dott. Kevin Cyrys, co-richiedente del progetto e ricercatore associato nel gruppo di lavoro. Le cellule crioconservate vengono trasferite in modo sterile nel bioreattore a serbatoio agitato tramite i cosiddetti «cryobag». Ciò riduce al minimo il rischio di contaminazione da batteri o funghi. Un ulteriore vantaggio delle cellule crioconservate è che non necessitano di precultura e sono quindi disponibili esattamente quando servono per inoculare la sospensione.
Utilizzo dell’IA per creare una piattaforma di produzione “intelligente”
Una delle sfide nella produzione cellulare nei bioreattori a serbatoio agitato è che le cellule si aggregano formando cluster multicellulari. Mentre nelle piastre di coltura aumenta solo il numero di singole cellule nel tempo, in questo caso cambia anche la dimensione dei cluster cellulari. Le singole cellule formano agglomerati composti da centinaia o addirittura migliaia di cellule, che, nel loro insieme, influenzano le proprietà dell’intero processo di produzione cellulare. Per registrare con precisione tali influenze verrà impiegata la microscopia multimodale, che utilizza contemporaneamente vari metodi di misurazione e tecniche di imaging.
Con l’ausilio dell’intelligenza artificiale e dell’apprendimento automatico, l’intero processo di produzione verrà monitorato e ottimizzato in modo continuo. I ricercatori mirano quindi a utilizzare tutti i dati raccolti per sviluppare una piattaforma di produzione «intelligente» in grado di reagire a deviazioni impreviste del processo, suggerire autonomamente miglioramenti e aumentare così la resa cellulare. «La piattaforma è progettata per garantire che in futuro la produzione di PSC possa avvenire in modo affidabile su larga scala, mantenendo bassi i costi e riducendo al minimo il consumo di materiale», sottolinea il professor Zweigerdt.
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