Eine von KAUST-Wissenschaftlern entwickelte Zellkulturtechnik trägt dazu bei, biologische Bedingungen zu schaffen, die die physiologischen Umgebungen im Vergleich zu den heute in den meisten Labors verwendeten Standardprotokollen besser widerspiegeln.
Das neue Bioreaktorsystem liefert Gase – statt Chemikalien – um den Säuregehalt und die Sauerstoffaustauschkinetik in körperähnlichen Bereichen zu halten, ein Ansatz, der eine sorgfältigere Kontrolle der Umgebungsparameter ermöglicht.
Es reagiert auch besser auf die Stoffwechselaktivität von Zellen und ist repräsentativer für das, was in lebenden Organismen passiert. Wenn die Plattform weit verbreitet ist, könnte sie zu genaueren, interpretierbaren und reproduzierbaren Experimenten in der biomedizinischen Forschung führen.
Der Zellkulturapparat entstand durch eine einzigartige interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen dem Meeresbiologen Carlos Duarte und dem Stammzellbiologen Mo Li.
Duarte und Li haben sich in den letzten Jahren zusammengeschlossen, um weit verbreitete Probleme bei der Kontrolle, Überwachung und Berichterstattung von Umgebungsbedingungen in Zellkultursystemen aufzuzeigen. Zusammen mit ihren Laborgruppenmitgliedern, darunter die Forschungswissenschaftlerin Shannon Klein und Ph.D. Die Studenten Samhan Alsolami und Silvia Arossa zeigten 2022, dass gängige Techniken zur Aufrechterhaltung menschlicher pluripotenter Stammzellen durchweg große Schwankungen der Umgebungsgaswerte, des pH-Werts und anderer Parameter erzeugen, Änderungen, die zu unvorhersehbaren Verschiebungen in der Kinetik des Zellwachstums führen können.
In Anlehnung an diese Erkenntnis beschreiben die Forscher nun, wie selbst kleine Störungen des pH-Werts menschliche Zellen dazu veranlassen können, ihre Genexpressionsprofile dramatisch neu auszurichten. „Wir haben robuste und koordinierte Veränderungen in der Expression von Genen im Zusammenhang mit Entzündungen und Stoffwechsel als Reaktion auf saure Umgebungen entdeckt“, sagt Li.
Dieses Ergebnis, das in ihrem jüngsten Bericht skizziert wird, „betont die Bedeutung der Aufrechterhaltung physiologischer Bedingungen, um Artefakte in der Forschung zu vermeiden, die aus menschlichen Zellkulturen stammen“, sagt Duarte.
Um diese Artefakte aus den Experimenten zu entfernen und ein stabileres Kultivierungsmilieu zu schaffen, rüstete das Team dann ein Standard-Bioreaktorsystem mit automatisierten Gasüberwachungssystemen und Ventilen für die Zufuhr von reinem Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoff nach.
Dies ermöglichte es den Forschern, eine präzise und physiologisch relevante Kontrolle über den pH-Wert und andere Kulturparameter aufrechtzuerhalten, ohne sich auf künstliche Puffermittel verlassen zu müssen, die eine begrenztere Kapazität zur Aufrechterhaltung der Umweltstabilität haben.
Bemerkenswerterweise kam ein Großteil der Inspiration für den Versuchsaufbau von Duartes früheren Untersuchungen mariner Ökosysteme. Duarte hatte Möglichkeiten zur Feinabstimmung von pH- und Gasschwankungen entwickelt, um die Auswirkungen der Ozeanversauerung auf Seegraswiesen im Roten Meer zu untersuchen.
Er erklärt: „Wir haben dann unsere Erfahrung in der genauen Kontrolle von pH, O2 und CO2 in Experimenten mit Meeresorganismen genutzt, um Systeme zu entwickeln, die eine strenge Kontrolle der Umgebung in menschlichen Zellkulturstudien erreichen können.“
„Es war eine schöne gegenseitige Befruchtung zwischen Meereswissenschaften und biomedizinischer Forschung“, sagt Duarte.
Mehr Informationen:
Silvia Arossa et al, A Gas-only Bioreactor System behält stabile Kulturumgebungen bei und zeigt, dass moderate pH-Abweichungen transkriptomweite Reaktionen in menschlichen Zellen auslösen, die in Physioxia und physiologischen Puffern kultiviert werden, Lebensmedizin (2022). DOI: 10.1093/lifemedi/lnac056
Shannon G. Klein et al., In-situ-Überwachung zeigt zelluläre Umweltinstabilitäten in menschlicher pluripotenter Stammzellkultur, Kommunikationsbiologie (2022). DOI: 10.1038/s42003-022-03065-w