Wissenschaftler entwickeln kostengünstiges Gerät, um die Zelltherapie sicherer zu machen

Ein winziges Gerät, das von Wissenschaftlern des MIT und der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology entwickelt wurde, könnte dazu dienen, die Sicherheit und Wirksamkeit von Zelltherapiebehandlungen für Patienten mit Rückenmarksverletzungen zu verbessern.

Bei der Zelltherapie erzeugen Ärzte sogenannte induzierte pluripotente Stammzellen, indem sie einige Haut- oder Blutzellen eines Patienten umprogrammieren. Um eine Rückenmarksverletzung zu behandeln, würden sie diese pluripotenten Stammzellen dazu bringen, Vorläuferzellen zu werden, die sich in Rückenmarkszellen differenzieren sollen. Diese Vorläufer werden dann dem Patienten wieder transplantiert.

Diese neuen Zellen können einen Teil des verletzten Rückenmarks regenerieren. Allerdings können pluripotente Stammzellen, die sich nicht vollständig in Vorläuferzellen verwandeln, Tumore bilden.

Dieses Forschungsteam entwickelte einen mikrofluidischen Zellsortierer, der etwa die Hälfte der undifferenzierten Zellen – also derjenigen, die möglicherweise zu Tumoren werden können – in einer Charge entfernen kann, ohne die vollständig ausgebildeten Vorläuferzellen zu beschädigen.

Das Hochdurchsatzgerät, das keine speziellen Chemikalien benötigt, kann mehr als 3 Millionen Zellen pro Minute sortieren. Darüber hinaus haben die Forscher gezeigt, dass durch die Verkettung vieler Geräte mehr als 500 Millionen Zellen pro Minute sortiert werden können, was dies zu einer praktikableren Methode macht, um eines Tages die Sicherheit von Zelltherapiebehandlungen zu verbessern.

Darüber hinaus kann der Kunststoffchip, der den mikrofluidischen Zellsortierer enthält, in einer Fabrik zu sehr geringen Kosten in Massenproduktion hergestellt werden, sodass das Gerät im großen Maßstab einfacher zu implementieren wäre.

„Selbst wenn Sie über eine lebensrettende Zelltherapie verfügen, die Wunder für Patienten bewirkt, ist ihre Wirkung möglicherweise begrenzt, wenn Sie sie nicht kostengünstig, zuverlässig und sicher herstellen können. Unser Team engagiert sich mit Leidenschaft für dieses Problem – das wollen wir.“ machen diese Therapien zuverlässiger und leichter zugänglich“, sagt Jongyoon Han.

Han ist MIT-Professor für Elektrotechnik und Informatik sowie für Biotechnik, Mitglied des Research Laboratory of Electronics (RLE) und Co-Leiter der Forschungsgruppe CAMP (Critical Analytics for Manufacturing Personalized Medicine) in Singapur -MIT Alliance for Research and Technology (SMART).

Han wird bei dem Artikel von Co-Senior-Autor Sing Yian Chew unterstützt, Professor für Chemie, Chemieingenieurwesen und Biotechnologie an der Lee Kong Chian School of Medicine and Materials Science and Engineering der Nanyang Technological University in Singapur und CAMP-Hauptforscher; Co-Hauptautoren Tan Dai Nguyen, ein CAMP-Forscher; Wai Hon Chooi, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Singapore Agency for Science, Technology, and Research (A*STAR); und Hyungkook Jeon, ein MIT-Postdoc; sowie andere bei NTU und A*STAR.

Die Studie wurde heute (7. Februar) in veröffentlicht Translationale Medizin mit Stammzellen.

Risiko reduzieren

Das Krebsrisiko durch undifferenzierte induzierte pluripotente Stammzellen bleibt eine der drängendsten Herausforderungen dieser Art der Zelltherapie.

„Selbst wenn es eine sehr kleine Zellpopulation gibt, die nicht vollständig differenziert ist, könnten sie sich dennoch in krebsähnliche Zellen verwandeln“, fügt Han hinzu.

Kliniker und Forscher versuchen oft, diese Zellen zu identifizieren und zu entfernen, indem sie auf ihren Oberflächen nach bestimmten Markern suchen. Bisher konnten Forscher jedoch keinen Marker finden, der für diese undifferenzierten Zellen spezifisch ist. Andere Methoden verwenden Chemikalien, um diese Zellen selektiv zu zerstören. Die chemischen Behandlungstechniken können jedoch schädlich für die differenzierten Zellen sein.

Der mikrofluidische Hochdurchsatzsortierer, der Zellen nach Größe sortieren kann, war zuvor vom CAMP-Team nach mehr als einem Jahrzehnt Arbeit entwickelt worden. Früher wurde es zum Sortieren von Immunzellen und mesenchymalen Stromazellen (einem anderen Stammzelltyp) verwendet, und jetzt weitet das Team seinen Einsatz auf andere Stammzelltypen aus, beispielsweise auf induzierte pluripotente Stammzellen, sagt Han.

„Wir sind an regenerativen Strategien zur Verbesserung der Gewebereparatur nach Rückenmarksverletzungen interessiert, da diese Erkrankungen zu verheerenden Funktionsbeeinträchtigungen führen. Leider gibt es derzeit keinen wirksamen regenerativen Behandlungsansatz für Rückenmarksverletzungen“, sagt Chew.

„Rückenmarks-Vorläuferzellen, die aus pluripotenten Stammzellen gewonnen werden, sind vielversprechend, da sie alle im Rückenmark vorkommenden Zelltypen erzeugen können, um die Gewebestruktur und -funktion wiederherzustellen. Um diese Zellen effektiv nutzen zu können, müsste der erste Schritt darin bestehen, ihre Funktion sicherzustellen.“ Sicherheit, das ist das Ziel unserer Arbeit.“

Das Team entdeckte, dass pluripotente Stammzellen tendenziell größer sind als die von ihnen abgeleiteten Vorläuferzellen. Es wird angenommen, dass der Kern einer pluripotenten Stammzelle vor der Differenzierung eine große Anzahl von Genen enthält, die nicht ausgeschaltet oder unterdrückt wurden. Während sie sich für eine bestimmte Funktion differenziert, unterdrückt die Zelle viele Gene, die sie nicht mehr benötigt, wodurch der Zellkern erheblich schrumpft.

Das Mikrofluidikgerät nutzt diesen Größenunterschied, um die Zellen zu sortieren.

Spiralsortierung

Mikrofluidische Kanäle im viertelgroßen Kunststoffchip bilden einen Einlass, eine Spirale und vier Auslässe, die Zellen unterschiedlicher Größe ausstoßen. Da die Zellen mit sehr hoher Geschwindigkeit durch die Spirale gepresst werden, wirken verschiedene Kräfte, darunter auch Zentrifugalkräfte, auf die Zellen. Diese Kräfte wirken entgegen und fokussieren die Zellen an einer bestimmten Stelle im Flüssigkeitsstrom. Dieser Fokussierungspunkt hängt von der Größe der Zellen ab, wodurch diese effektiv über separate Auslässe sortiert werden.

Die Forscher fanden heraus, dass sie den Betrieb des Sortierers verbessern könnten, indem sie ihn zweimal laufen lassen, zunächst mit einer niedrigeren Geschwindigkeit, damit größere Zellen an den Wänden haften bleiben und kleinere Zellen aussortiert werden, und dann mit einer höheren Geschwindigkeit, um größere Zellen auszusortieren.

In gewisser Weise funktioniert das Gerät wie eine Zentrifuge, aber der mikrofluidische Sortierer erfordert keinen menschlichen Eingriff, um sortierte Zellen herauszusuchen, fügt Han hinzu.

Die Forscher zeigten, dass ihr Gerät mit einem Durchgang etwa 50 Prozent der größeren Zellen entfernen konnte. Sie führten Experimente durch, um zu bestätigen, dass die größeren Zellen, die sie entfernten, tatsächlich mit einem höheren Tumorrisiko verbunden waren.

„Obwohl wir nicht 100 % dieser Zellen entfernen können, glauben wir dennoch, dass dies das Risiko erheblich verringern wird. Hoffentlich ist der ursprüngliche Zelltyp gut genug, dass wir nicht zu viele undifferenzierte Zellen haben. Dann könnte dieser Prozess funktionieren.“ diese Zellen noch sicherer zu machen“, sagt er.

Wichtig ist, dass der kostengünstige mikrofluidische Sortierer, der mit Standardfertigungstechniken in großem Maßstab hergestellt werden kann, keinerlei Filterung verwendet. Filter können verstopfen oder kaputt gehen, sodass ein filterloses Gerät deutlich länger genutzt werden kann.

Nachdem sie nun im kleinen Maßstab Erfolge gezeigt haben, beginnen die Forscher mit größeren Studien und Tiermodellen, um zu sehen, ob die gereinigten Zellen in vivo besser funktionieren.

Nicht differenzierte Zellen können zu Tumoren werden, aber sie können auch andere zufällige Auswirkungen auf den Körper haben. Daher könnte die Entfernung weiterer dieser Zellen die Wirksamkeit von Zelltherapien steigern und die Sicherheit verbessern.

„Wenn wir diese Vorteile in vivo überzeugend nachweisen können, könnte die Zukunft noch spannendere Anwendungen für diese Technik bereithalten“, sagt Han.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/) erneut veröffentlicht, einer beliebten Website, die Neuigkeiten über Forschung, Innovation und Lehre des MIT berichtet.