کشت سلول‌های بنیادی، عواملی که باید حین افزایش مقیاس در نظر داشت

امروزه سلول‌های بنیادی یک امید بزرگ برای کشف دارو و درمان بسیاری از بیماری‌ها به شمار می‌روند. به همین دلیل خیلی از مراکز تحقیقاتی به دنبال کشت سلول‌های بنیادی هستند.

اگرچه امروزه چندین محصول دارویی به کمک سلول‌های بنیادی به مرحله تجاری راه یافته‌اند. اما بیشتر تحقیقات هنوز در مقیاس‌های کوچک و با استفاده از سیستم‌های کشت ساده مانند فلاسک‌های اسپینر انجام می‌شوند. این در حالی است که کشت سلول‌های بنیادی نیازمند دانش دقیق، نتایج قابل تکرار و مستندات جامع است.

اما چگونه می‌توان این کشت را در مقیاسی بزرگ انجام داد؟ در این مطلب قصد داریم به بررسی عوامل مهم حین افزایش مقیاس کشت سلول‌های بنیادی بپردازیم.

کشت سلول‌های بنیادی در مقیاس بزرگ

سلول‌های بنیادی کاربردهای بسیار مفیدی در غربالگری دارو، آزمایش سم‌شناسی و پزشکی دارند. با این وجود تولید سلول‌های با کیفیت در مقادیر کافی یکی از چالش‌هایی است که اکثر مراکز تحقیقاتی با آن مواجه هستند.

در حال حاضر سیستم‌های کشت مانند فلاسک‌های T و فلاسک‌های اسپینر به طور گسترده در تحقیقات سلول‌های بنیادی استفاده می‌شوند. این تجهیزات روش‌های مناسب و ساده‌ای را برای کشت سلول‌های بنیادی ارائه می‌کنند. با این حال، از نظر کنترل و مقیاس پذیری محدودیت‌هایی دارد. به عنوان مثال:

• پارامترهای کلیدی کشت مانند تنش اکسیژن و pH ، در زمان واقعی نظارت یا حتی کنترل نمی‌شوند. این امر تکرارپذیری کشت سلول‌های بنیادی را از بین می‌برد.

• نظارت مستقیم بر حیات و فعالیت متابولیک سلولی به راحتی قابل کنترل نیست.

• فلاسک‌های T و فلاسک‌های اسپینر برای مقدار کمی از نمونه طراحی شده‌اند و حجم نسبتا کمی دارند. به همین دلیل برای حجم بالای نمونه‌ها، هزینه خرید فلاسک و آماده سازی فضای کافی برای کشت، دشوار و پرهزینه است.

• مستندسازی و تجزیه و تحلیل با پتانسیل محدود کار دشواری است.

راهکارهایی برای کشت سلول‌های بنیادی در مقیاس بالا

در ادامه به بررسی راهکارهایی برای کشت سلول‌های بنیادی در مقیاس بالا خواهیم پرداخت.

۱. طراحی بیوراکتور مقیاس پذیر

بیوراکتورها یکی از تجهیزات مناسب برای کشت سلول در آزمایشگاه هستند. این تجهیزات رآکتور زیستی یا واکنش‌گاه زیستی نیز نامیده می‌شوند. در این تجهیزات واکنش‌های زیستی از جمله رشد سلولی، متابولیسم یا فرایندهای ژنتیکی شبیه سازی می‌‌شود. بیوراکتورها معمولاً استوانه‌ای شکل هستند و در اندازه‌های متغیری، از لیتر تا چندین متر مکعب، ساخته می‌شوند.

 برای طراحی یک بیوراکتور مناسب برای کشت سلول‌های بنیادی، لازم است تا نیاز سلول‌ها به محیط فیزیکی و شیمیایی در نظر گرفته شود. همچنین کنترل و بهینه سازی محیط راکتور به منظور تولید مقرون به صرفه در مقیاس بزرگ ضروری است.

ابعاد بزرگتر، مکانیزم‌های هم زدن و امکان نظارت و نمونه برداری از جمله ویژگی‌هایی هستند که بیوراکتورها را برای کشت سلول‌های بنیادی در مقیاس بالا مناسب می‌سازند.

۲. هم زدن صحیح برای کاهش نیروهای برشی (shear forces)

یکی از پارامترهای مهم در کشت سلول‌های بنیادی، اختلاط صحیح است. اختلاط برای دستیابی و حفظ یک محیط کنترل شده ضروری است. در بسیاری از فرایندهای کشت سلولی ممکن است نیروهای برشی (shear forces) سبب از بین رفتن کیفیت سلول شوند.

به همین دلیل یکی از نکات مهم برای کشت سلول‌های بنیادی در مقیاس بالا، کاهش نیروهای برشی است.

سرعت اختلاط باید به اندازه کافی بالا باشد تا توده‌های سلولی یا ریزحامل ها را در سوسپانسیون همگن نگه دارد. اما باید از سطح بحرانی آسیب رساندن به سلول‌ها کمتر باشد.

بنابراین سیستم بیوراکتور انتخابی باید بتواند سرعت همزدن مناسبی را ارئه دهد.

۳. کنترل اکسیژن برای کشت سلول‌های بنیادی در مقیاس بالا

در کشت سلول‌های بنیادی از بافت‌های مختلفی استفاده می‌شود بسته به نوع بافت استفاده شده، نیازهای اکسیژن برای رشد نیز متفاوت خواهد بود.

به عنوان مثال تأثیر اکسیژن بر رشد و تمایز سلول‌های بنیادی پرتوان القایی و سلول‌‌های بنیادی جنینی متفاوت است.

بر اساس مطالعات انجام شده، هم تکثیر و هم تمایز سلول‌های مورد بررسی، به اکسیژن در طول کشت بستگی دارد.

سیستم‌های بیوراکتور پیشرفته می‌توانند با قابلیت تنظیم سطح اکسیژن به کشت سلول‌های بنیادی در مقیاس بالا کمک زیادی کنند.

۴. کنترل دقیق pH

در متابولیسم سلولی، یکسری آنزیم‌های کنترل کننده درگیر هستند. فعالیت این آنزیم‌‌ها شدیداً وابسته به pH است. بنابراین رشد و تمایز سلول‌های بنیادی نیز تحت تأثیر pH قرار می‌گیرد.

تنظیم pH  در مقیاس کم و درون فلاسک های آزمایشگاهی چندان دشوار نیست. اما برای کشت سلول‌های بنیادی در مقیاس بالا چالش برانگیز خواهد بود.

سیستم‌های بیوراکتور، امکان کنترل دقیق سطوح pH را فراهم می‌کنند. مقادیر pH با استفاده از سنسورهای pH استاندارد صنعتی اندازه گیری می‌شود و با تنظیم گاز CO2 یا افزودن اسید و باز به طور دقیق تنظیم می‌شود.

۵. امکان تجزیه تحلیل داده ها، یک پارامتر مهم در کشت سلول‌های بنیادی

کشت سلول‌های بنیادی مستلزم مستندات جامع است. به ویژه در اوایل توسعه محصولات جدید. سیستم‌های بیوراکتور پیشرفته شامل نرم‌افزارهای کنترلی هستند که امکان ذخیره تمام داده‌های یک فرآیند را در یک پایگاه داده مرکزی فراهم می‌کند.

البته لازم به ذکر است که مستندسازی نباید تنها به داده‌‌های موجود در طول فرآیند محدود شود. بلکه لازم است در مورد داده‌های کنترل کیفیت پس از کشت نیز اعمال گردد.

جمع‌بندی

امروزه کشت سلول‌های بنیادی در بسیاری از حوزه‌های پشکی و آزمایشگاهی جایگاه ویژه‌ای را به خود اختصاص داده است. در حال حاضر این فرایند در فلاسک‌های آزمایشگاهی انجام می‌شود که معایب زیادی دارند.

سیستم‌های بیوراکتور  این پتانسیل را دارند که با ایجاد فرآیندهایی از جمله نظارت بر پارامترهای کلیدی کشت، کنترل نتایج و اتوماسیون، تحقیقات و توسعه فرآیند سلول‌های بنیادی را ساده تر کنند.

این تجهیزات به دستیابی به نتایج قابل تکرار در مقیاس بالاکمک کرده و در عین زمان کار را کاهش داده و اعتبارسنجی را ساده می‌کند.