Summary

Питательные Регулирование непрерывной подачи для крупномасштабного Расширение клеток млекопитающих в сфероидов

Published: September 25, 2016
doi:

Summary

Nutrient regulation using continuous growth adjusted feeding improves growth rates of mammalian cell spheroids compared to intermittent batch feeding for cultures in stirred suspension bioreactors. This study demonstrates the methods required for establishing simple adjusted rate fed cultures.

Abstract

In this demonstration, spheroids formed from the β-TC6 insulinoma cell line were cultured as a model of manufacturing a mammalian islet cell product to demonstrate how regulating nutrient levels can improve cell yields. In previous studies, bioreactors facilitated increased culture volumes over static cultures, but no increase in cell yields were observed. Limitations in key nutrients such as glucose, which were consumed between batch feedings, can lead to limitations in cell expansion. Large fluctuations in glucose levels were observed, despite the increase in glucose concentrations in the media. The use of continuous feeding systems eliminated fluctuations in glucose levels, and improved cell growth rates when compared with batch fed static and SSB culture methods. Additional increases in growth rates were observed by adjusting the feed rate based on calculated nutrient consumption, which allowed the maintenance of physiological glucose over three weeks in culture. This method can also be adapted for other cell types.

Introduction

Для генерирования большого количества жизнеспособных и функциональных клеток человека для трансплантации, регулирование условий культивирования является обязательным условием. Истощение питательных веществ, наряду с накоплением отходов метаболизма являются основными факторами , способствующими стареющих и метаболические изменения , которые снижают качество клеточного продукта 1 3. Эта процедура демонстрирует способ к культуре клеток млекопитающих в сфероидов с применением перемешиваемой биореактора в сочетании с отрегулированной системой подачи скорость перфузии , чтобы регулировать уровень глюкозы в физиологическом диапазоне 4 в течение всего периода культивирования. Для целей этих исследований, физиологический диапазон был определен как от 100 до 200 мг / дл. Те же методы могут быть использованы для регулирования других питательных веществ и метаболические отходы, такие как лактат.

Статические культуры в небольших объемах (1 – 30 мл), как правило, используются в лабораторных условиях для поддержания и дифференциации клеточных линий для experimental целей. Cell пассажи выполняется с полными изменениями среды по мере необходимости через регулярные промежутки времени. Большинство "обычных" питательная среда имеет высокую концентрацию глюкозы (450 мг / дл для DMEM, используемого в этих исследованиях), чтобы позволить менее частых изменений средних без риска питательных ограничений. Тем не менее, эта партия вскармливания метод все еще требует частых манипуляций, вносит вариабельность в среде клеток, а также увеличивает риск загрязнения 5 9. Перемешанной суспензии биореакторы (SSB) обеспечивают лучшее перемешивание и снижение обработки 3,10 20, но как статические культуры, требуют ручного изменения средних , которые способствуют потенциально опасных колебаний в питательных веществах и отходов уровней продукции. Перфузия кормление ОБП культур уменьшает эти проблемы путем непрерывной инфузии и удаления среды, но большие изменения уровней питательных веществ из-за роста клеток остаются проблемой. Использование скорректированной ра подачит.е из расчета питательного использования на основе оценки потребностей клеток может обеспечить стабильную среду для клеток , необходимых для оптимизации жизнеспособности клеток и функции 21 24.

Существует большое количество литературы , описания методов для масштабируемых ОБП культур клеток млекопитающих , специально для культуры и расширения плюрипотентных клеток 25 32, с другими сосредоточены на островке (бета) клеток 17,33,34, или производство биологических продуктов 24, 35 38. Многие из этих исследованных типах клеток, могут быть выращены в культурах сфероидов, и специфические процедуры типа клеток, используемой должна быть оптимизирована до внедрения непрерывной системы подачи. В этой демонстрации, метод перфузии кормления был использован для расширения линии бета – клеток , выращенного в качестве сфероидов в перемешанной биореактора 39 43. Описанный в настоящем документе способ обеспечиваетпростая реализация кормления корректировки курса на основе определения уровня глюкозы в офф-лайн для достижения целевых условий культивирования. Регулировка скорости подачи с помощью этого метода для поддержания физиологического уровня глюкозы показано, что урожайность увеличивается клеток. Клетки млекопитающих , зависят от основным питательным веществом, глюкозу, для выработки энергии, так что использование этой линии клеток представляет собой модель для многих культивируемых клетках млекопитающих 44. Кроме того, эта линия иллюстрирует дальнейшую сложность бета – клеток, которые чувствительны к хроническим высоким уровнем глюкозы 45. Для этого исследования, бета-ТС6 клетки оставляли для формирования сфероидов в культуре , чтобы приблизить средний размер островков Лангерганса в естественных условиях. Система биореактора перфузию 17 19,21,46 со скоростью подачи , скорректированной на глюкозу потребления, привело к поддержанию физиологических условий , и более высокие урожаи клеток без изменений в жизнеспособности.

Protocol

1. Клеточная линия и техническое обслуживание Получить бета-ТС6 клетки (или другой требуемый приверженцем линии клеток млекопитающих). В ходе подготовки к исследованию, культуры, прохождение, и криоконсервируют клетки в соответствии с инструкциями поставщика. 2. …

Representative Results

Средние уровни глюкозы и Флуктуации Ограничить клеток Расширение в стандартных ОБП культур Уровни глюкозы колеблются в статических культурах и ОБП культур в течение всего периода культивирования 3. Эти колебания усиливаются с увеличением числа клеток в…

Discussion

Генерирующее клеток млекопитающих для производства биологических агентов и для клеточной терапии требует культуры и мониторинга клеток млекопитающих в больших масштабах 55 58. Кроме того, эти приложения требуют определенных и обоснованных условий культивирования. ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors thank Michael Garwood and Sam Stein for their helpful comments, and Kristen M. Maynard for assistance with manuscript preparation.

Materials

Name of Reagent/ Equipment Company Catalog Number / Link Comments/Description
BTC-6 Cells ATCC, Manassas, VA CRL-11506 Mouse Insulinoma cell line (adherent cell type)
DPBS No CA, No Mg Invitrogen, Carlsbad, CA 14190-144 https://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/14190144?ICID=search-14190144
Dulbecco's Modified Eagles Medium Invitrogen, Carlsbad, CA See below for product numbers 
DMEM High Glucose (500mM) Invitrogen, Carlsbad, CA 11965-092 http://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/11965092
DMEM Low Glucose (100mM) Invitrogen, Carlsbad, CA 11885-084 http://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/11885084 (note that this medium already contains pyruvate)
L-gultamine Invitrogen, Carlsbad, CA 25030081 http://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/25030081?ICID=search-product
Sodium Pyruvate Invitrogen, Carlsbad, CA 11360070 https://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/11360070?ICID=search-product
Heat Inactivated Porcine Serum Gibco – Life Technologies 10082147 http://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/10082147
Trypsin-EDTA Invitrogen, Carlsbad, CA 25200056 https://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/25200056?ICID=search-product
T-150 Tissue Culture Treated Flasks Corning, Corning, NY 430825 http://catalog2.corning.com/LifeSciences/en-US/Shopping/ProductDetails.aspx?productid=430825(Lifesciences)
&categoryname=
NuAire Cell culture incubator Princeton, MN US Autoflow , Any water-jacketed CO2 regulating cell culture incubator could be used
Centrifuge Sorvall RT 7 (Any similar benchtop centrifuge may be used)
Refrigerator Any laboratory refrigerator could be used (a small table-top version was used for these studies)
1L Glass Bottle Corning, Corning, NY 1395-1L Any vendor could be used http://catalog2.corning.com/LifeSciences/en-US/Shopping/ProductDetails.aspx?productid=1395-1L(Lifesciences)
&categoryname=
2L Glass Bottle Corning, Corning, NY 1395-2L Any vendor could be used
250 ml stirred bioreactors  Corning, Corning, NY 4500-250 http://catalog2.corning.com/LifeSciences/en-US/Shopping/ProductDetails.aspx?productid=4500-250(Lifesciences)
&categoryname=
Stir Plate Fisher Scientific 11-496-104A Any incubator safe stir-plate can be used, any vendor
Tissue Culture Dishes 100mm Diameter Nunc, Rochester, NY (Fisher Scientific) 1256598  Any vendor could be used (ordered through Fisher Sci)
FALCON 50 ml Conical Tubes Falcon, San Jose, CA 1256598 Any vendor could be used
Delran Plastic Used for Custom Parts McMaster Carr Various Any material of choice could be used, but Deran is chosen because it is autoclave safe, non-reactive, and easy to machine, http://www.mcmaster.com/#acetal-homopolymer-sheets/=rjrcac
Stainless Steel Pipe for custom lids McMaster Carr Various Any vendor could be used, http://www.mcmaster.com/#standard-stainless-steel-tubing/=rjrd91
Custom Modified Delran Bioreactor Lids for Continuous Feeding Custom made  Not aware of any vendors producing a similar product
Custom Modified Glass Bottle Lids for Continuous feeding Custom made  Some vendors (eg. Fischer Sci, Corning) make similar products in the links below
Masterflex Digital Peristaltic Pump Cole Parmer, Vernon Hills, IL EW-77919-25 Any precision peristaltic pump could be used, http://www.coleparmer.com/Product/L_S_Eight_Channel_Four_Roller_
Cartridge_Pump_System_115_230
_VAC/EW-77919-25
PVDF Tubing Connectors (various) Cole Parmer, Vernon Hills, IL see link Any vendor could be used, http://www.coleparmer.com/Category/Cole_Parmer_PVDF_Premium
_Luer_Fittings/55889
Pharmed BPT Tubing L/S 16 Cole Parmer, Vernon Hills, IL WU-06508-16 Any vendor could be used, http://www.coleparmer.com/Product/Masterflex_PharMed_BPT_Tubing
_L_S_13_25/WU-06508-16
Pharmed BPT Tubing L/S 14 Cole Parmer, Vernon Hills, IL WU-06508-14 Any vendor could be used, http://www.coleparmer.com/Product/Masterflex_PharMed_BPT_Tubing
_L_S_13_25/WU-06508-14
Pharmed BPT Tubing L/S 13 Cole Parmer, Vernon Hills, IL WU-06508-13 Any vendor could be used, http://www.coleparmer.com/Product/Masterflex_PharMed_BPT_Tubing
_L_S_13_25/WU-06508-13
Millipore Millex GP PES membrane 0.22ul sterile syringe filter (used for venting, and medium filtration) Fisher Scientific SLGP033RS Any vendor could be used
25ml Graduated Pipette Fisher Scientific 13-678-11 Any vendor could be used, and various sizes may be used
Pipetter Fisher Scientific 13-681-15E Any vendor, or similar product could be used
Hemocytometer Fisher Scientific 02-671-6 Any vendor, or similar product could be used
Trypan Blue Gibco – Life Technologies 15250-061 Any vendor, or similar product could be used, https://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/15250061
Inverted Light Microscope Leica Any vendor, or similar product could be used
One Touch Ultra Blood Glucose Meter Fisher Scientific 22-029-293  Any vendor, or similar product could be used (eg. Bayer)
One Touch Ultra-Strips Fisher Scientific 22-029-292  Any vendor, or similar product could be used (eg. Bayer)

References

  1. Reuveny, S., Velez, D., Macmillan, J. D., Miller, L. Factors affecting cell growth and monoclonal antibody production in stirred reactors. J. Immunol. Methods. 86 (1), 53-59 (1986).
  2. Tarleton, R. L., Beyer, A. M. Medium-scale production and purification of monoclonal antibodies in protein-free medium. Biotechniques. 11 (5), 590-593 (1991).
  3. Weegman, B. P., et al. Nutrient regulation by continuous feeding removes limitations on cell yield in the large-scale expansion of Mammalian cell spheroids. PLoS One. 8 (10), e76611 (2013).
  4. Klueh, U., et al. Continuous glucose monitoring in normal mice and mice with prediabetes and diabetes. Diabetes Technol. Ther. 8 (3), 402-412 (2006).
  5. Hay, R. J. Operator-induced contamination in cell culture systems. Dev. Biol. Stand. 75, 193-204 (1991).
  6. Dazey, B., Duchez, P., Letellier, C., Vezon, G., Ivanovic, Z. Cord blood processing by using a standard manual technique and automated closed system “Sepax” (Kit CS-530). Stem Cells Dev. 14 (1), 6-10 (2005).
  7. Gastens, M. H., et al. Good manufacturing practice-compliant expansion of marrow-derived stem and progenitor cells for cell therapy. Cell Transplant. 16 (7), 685-696 (2007).
  8. Naing, M. W., Williams, D. J. Three-dimensional culture and bioreactors for cellular therapies. Cytotherapy. 13 (4), 391-399 (2011).
  9. Stacey, G. N. Cell culture contamination. Cancer Cell Culture. , 79-91 (2011).
  10. Zur Nieden, I. N., Cormier, J. T., Rancourt, D. E., Kallos, M. S. Embryonic stem cells remain highly pluripotent following long term expansion as aggregates in suspension bioreactors. J. Biotechnol. 129 (3), 421-432 (2007).
  11. Kehoe, D. E., Jing, D., Lock, L. T., Tzanakakis, E. S. Scalable stirred-suspension bioreactor culture of human pluripotent stem cells. Tissue Eng. Part A. 16 (2), 405-421 (2010).
  12. Krawetz, R., et al. Large-scale expansion of pluripotent human embryonic stem cells in stirred-suspension bioreactors. Tissue Eng. Part C. Methods. 16 (4), 573-582 (2010).
  13. Shafa, M., et al. Expansion and long-term maintenance of induced pluripotent stem cells in stirred suspension bioreactors. J. Tissue Eng. Regen. Med. 6 (6), 462-472 (2012).
  14. Oh, S. K. W., et al. Long-term microcarrier suspension cultures of human embryonic stem cells. Stem Cell Res. 2 (3), 219-230 (2009).
  15. Olmer, R., et al. Suspension culture of human pluripotent stem cells in controlled, stirred bioreactors. Tissue Eng. Part C. Methods. 18 (10), 772-784 (2012).
  16. Baptista, R. P., Da Fluri, ., Zandstra, P. W. High density continuous production of murine pluripotent cells in an acoustic perfused bioreactor at different oxygen concentrations. Biotechnol. Bioeng. 110 (2), 648-655 (2013).
  17. Papas, K. K. . Characterization of the metabolic and secretory behavior of suspended free and entrapped ART-20 spheroids in fed-batch and perfusion cultures [dissertation]. , (1992).
  18. Papas, K. K., Constantinidis, I., Sambanis, A. Cultivation of recombinant, insulin-secreting AtT-20 cells as free and entrapped spheroids. Cytotechnology. 13 (1), 1-12 (1993).
  19. Sambanis, A., Papas, K. K., Flanders, P. C., Long, R. C., Kang, H., Constantinidis, I. Towards the development of a bioartificial pancreas: immunoisolation and NMR monitoring of mouse insulinomas. Cytotechnology. 15 (1-3), 351-363 (1994).
  20. Sharma, S., Raju, R., Sui, S., Hu, W. -. S. Stem cell culture engineering – process scale up and beyond. Biotechnol. J. 6 (11), 1317-1329 (2011).
  21. Papas, K. K., Long, R. C., Constantinidis, I., Sambanis, A. Role of ATP and Pi in the mechanism of insulin secretion in the mouse insulinoma betaTC3 cell line. Biochem. J. 326 (Pt 3), 807-814 (1997).
  22. Papas, K. K., Long, R. C., Sambanis, A., Constantinidis, I. Development of a bioartificial pancreas: I. long-term propagation and basal and induced secretion from entrapped betaTC3 cell cultures. Biotechnol. Bioeng. 66 (4), 219-230 (1999).
  23. Papas, K. K., Long, R. C., Sambanis, A., Constantinidis, I. Development of a bioartificial pancreas: II. Effects of oxygen on long-term entrapped betaTC3 cell cultures. Biotechnol. Bioeng. 66 (4), 231-237 (1999).
  24. Hu, W. S. Cell culture process monitoring and control-a key to process optimization. Cytotechnology. 14 (3), 155-156 (1994).
  25. Alfred, R., et al. Efficient suspension bioreactor expansion of murine embryonic stem cells on microcarriers in serum-free medium. Biotechnol. Prog. 27 (3), 811-823 (2011).
  26. Cormier, J. T., zur Nieden, N. I., Rancourt, D. E., Kallos, M. S. Expansion of undifferentiated murine embryonic stem cells as aggregates in suspension culture bioreactors. Tissue Eng. 12 (11), 3233-3245 (2006).
  27. Dang, S. M., Zandstra, P. W. Scalable production of embryonic stem cell-derived cells. Methods Mol. Biol. 290 (1), 353-364 (2005).
  28. Elseberg, C. L., et al. Microcarrier-based expansion process for hMSCs with high vitality and undifferentiated characteristics. Int. J. Artif. Organs. 35 (2), 93-107 (2012).
  29. Kallos, M. S., Behie, L. A. Inoculation and growth conditions for high-cell-density expansion of mammalian neural stem cells in suspension bioreactors. Biotechnol. Bioeng. 63 (4), 473-483 (1999).
  30. Kehoe, D. E., Lock, L. T., Parikh, A., Tzanakakis, E. S. Propagation of embryonic stem cells in stirred suspension without serum. Biotechnol. Prog. 24 (6), 1342-1352 (2008).
  31. Kirouac, D. C., Zandstra, P. W. The systematic production of cells for cell therapies. Cell Stem Cell. 3 (4), 369-381 (2008).
  32. Serra, M., et al. Stirred bioreactors for the expansion of adult pancreatic stem cells. Ann. Anat. 191 (1), 104-115 (2009).
  33. Chawla, M., Bodnar, C. A., Sen, A., Kallos, M. S., Behie, L. A. Production of islet-like structures from neonatal porcine pancreatic tissue in suspension bioreactors. Biotechnol. Prog. 22 (2), 561-567 (2006).
  34. Weegman, B. P., et al. Temperature profiles of different cooling methods in porcine pancreas procurement. Xenotransplantation. , (2014).
  35. Cruz, H. J., Moreira, J. L., Carrondo, M. J. Metabolic shifts by nutrient manipulation in continuous cultures of BHK cells. Biotechnol. Bioeng. 66 (2), 104-113 (1999).
  36. Dowd, J. E., Jubb, A., Kwok, K. E., Piret, J. M. Optimization and control of perfusion cultures using a viable cell probe and cell specific perfusion rates. Cytotechnology. 42 (1), 35-45 (2003).
  37. Goudar, C., Biener, R., Zhang, C., Michaels, J., Piret, J., Konstantinov, K. Towards industrial application of quasi real-time metabolic flux analysis for mammalian cell culture. Cell Culture Engineering. 101, 99-118 (2006).
  38. Hu, W. S., Piret, J. M. Mammalian cell culture processes. Curr. Opin. Biotechnol. 3 (2), 110-114 (1992).
  39. Knaack, D., et al. Clonal insulinoma cell line that stably maintains correct glucose responsiveness. Diabetes. 43 (12), 1413-1417 (1994).
  40. Poitout, V., Stout, L. E., Armstrong, M. B., Walseth, T. F., Sorenson, R. L., Robertson, R. P. Morphological and functional characterization of beta TC-6 cells–an insulin-secreting cell line derived from transgenic mice. Diabetes. 44 (3), 306-313 (1995).
  41. Poitout, V., Olson, L. K., Robertson, R. P. Insulin-secreting cell lines: classification, characteristics and potential applications. Diabetes Metab. 22 (1), 7-14 (1996).
  42. Suzuki, R., et al. Cyotomedical therapy for insulinopenic diabetes using microencapsulated pancreatic beta cell lines. Life Sci. 71 (15), 1717-1729 (2002).
  43. Skelin, M., Rupnik, M., Cencic, A. Pancreatic beta cell lines and their applications in diabetes mellitus research. ALTEX. 27 (2), 105-113 (2010).
  44. Masters, J. R., Stacey, G. N. Changing medium and passaging cell lines. Nat. Protoc. 2 (9), 2276-2284 (2007).
  45. Murdoch, T. B., McGhee-Wilson, D., Shapiro, A. M. J., Lakey, J. R. T. Methods of human islet culture for transplantation. Cell Transplant. 13 (6), 605-617 (2004).
  46. Woodside, S. M., Bowen, B. D., Piret, J. M. Mammalian cell retention devices for stirred perfusion bioreactors. Cytotechnology. 28 (1-3), 163-175 (1998).
  47. Serra, M., et al. Improving expansion of pluripotent human embryonic stem cells in perfused bioreactors through oxygen control. J. Biotechnol. 148 (4), 208-215 (2010).
  48. Gálvez, J., Lecina, M., Solà, C., Cairó, J., Gòdia, F. Optimization of HEK-293S cell cultures for the production of adenoviral vectors in bioreactors using on-line OUR measurements. J. Biotechnol. 157 (1), 214-222 (2012).
  49. Trabelsi, K., Majoul, S., Rourou, S., Kallel, H. Development of a measles vaccine production process in MRC-5 cells grown on Cytodex1 microcarriers and in a stirred bioreactor. Appl. Microbiol. Biotechnol. 93 (3), 1031-1040 (2012).
  50. Liu, H., et al. A high-yield and scaleable adenovirus vector production process based on high density perfusion culture of HEK 293 cells as suspended aggregates. J. Biosci. Bioeng. 107 (5), 524-529 (2009).
  51. Zhi, Z., Liu, B., Jones, P. M., Pickup, J. C. Polysaccharide multilayer nanoencapsulation of insulin-producing beta-cells grown as pseudoislets for potential cellular delivery of insulin. Biomacromolecules. 11 (3), 610-616 (2010).
  52. Lock, L. T., Laychock, S. G., Tzanakakis, E. S. Pseudoislets in stirred-suspension culture exhibit enhanced cell survival, propagation and insulin secretion. J. Biotechnol. 151 (3), 278-286 (2011).
  53. Marchenko, S., Flanagan, L. Counting human neural stem cells. J. Vis. Exp. (7), e262 (2007).
  54. Campos, C. Chronic hyperglycemia and glucose toxicity: pathology and clinical sequelae. Postgrad. Med. 124 (6), 90-97 (2012).
  55. Eve, D. J., Fillmore, R., Borlongan, C. V., Sanberg, P. R. Stem cells have the potential to rejuvenate regenerative medicine research. Med. Sci. Monit. 16 (10), RA197-RA217 (2010).
  56. Hsiao, L. -. C., Carr, C., Chang, K. -. C., Lin, S. -. Z., Clarke, K. Review Article: Stem Cell-based Therapy for Ischemic Heart Disease. Cell Transplant. , (2012).
  57. Oldershaw, R. A. Cell sources for the regeneration of articular cartilage: the past, the horizon and the future. Int. J. Exp. Pathol. 93 (6), 389-400 (2012).
  58. De Coppi, P. Regenerative medicine for congenital malformations. J. Pediatr. Surg. 48 (2), 273-280 (2013).
  59. Tziampazis, E., Sambanis, A. Modeling of cell culture processes. Cytotechnology. 14 (3), 191-204 (1994).
  60. Sidoli, F. R., Mantalaris, A., Asprey, S. P. Modelling of Mammalian cells and cell culture processes. Cytotechnology. 44 (1-2), 27-46 (2004).
  61. Yim, R. Administrative and research policies required to bring cellular therapies from the research laboratory to the patient’s bedside. Transfusion. 45, 144S-158S (2005).
  62. Fink, D. W. FDA regulation of stem cell-based products. Science. 324 (5935), 1662-1663 (2009).
  63. Moos, M. Stem-cell-derived products: an FDA update. Trends Pharmacol. Sci. 29 (12), 591-593 (2008).
check_url/52224?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Weegman, B. P., Essawy, A., Nash, P., Carlson, A. L., Voltzke, K. J., Geng, Z., Jahani, M., Becker, B. B., Papas, K. K., Firpo, M. T. Nutrient Regulation by Continuous Feeding for Large-scale Expansion of Mammalian Cells in Spheroids. J. Vis. Exp. (115), e52224, doi:10.3791/52224 (2016).

View Video