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.
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.
För att generera ett stort antal viabla och funktionella humana celler för transplantation, är reglering av odlingsbetingelsema absolut nödvändigt. Utarmning av näringsämnen, tillsammans med uppbyggnaden av metaboliskt avfall är viktiga bidragsgivare med åldrande och metaboliska förändringar som minskar kvaliteten på cellprodukten 1-3. Denna procedur visar en metod för att odla däggdjursceller i sfäroider med användning av en omrörd bioreaktor i kombination med en justerad hastighet perfusion matningssystem för att reglera glukos i ett fysiologiskt intervall 4 under hela varaktigheten av kulturen. För ändamålet av dessa studier, var det fysiologiska området definieras som mellan 100 och 200 mg / dl. Samma metoder kan användas för att reglera andra näringsämnen och metaboliska avfall såsom laktat.
Statiska kulturer i små volymer (1 – 30 ml) används typiskt i laboratoriemiljö för att upprätthålla och differentiera cellinjer för experimespecialist- ändamål. Cell passage utförs med komplett medium de ändringar som behövs med jämna mellanrum. Mest "konventionella" odlingsmedium har en hög glukoskoncentration (450 mg / dl för DMEM användes i dessa studier) för att möjliggöra mindre frekventa mediumbyten utan risk för närings begränsningar. Men denna sats matning metoden kräver fortfarande frekvent manipulation, introducerar variabilitet i cellmiljön, och ökar risken för kontaminering 5-9. Omrörd suspension bioreaktorer (SSB) ger bättre blandning och minskad hantering 3,10 – 20, men som statiska kulturer kräver manuella medel förändringar som bidrar till potentiellt skadliga fluktuationer i närings och avfallsproduktnivåer. Perfusion utfodring av SSB kulturer minskar dessa problem genom kontinuerlig infusion och avlägsnande av medium, men stora förändringar i halter av näringsämnen på grund av celltillväxt förblir ett problem. Användningen av en justerad utfodrings rate från beräkningar av närings användning baserat på beräknade behov cell kan ge den stabila cellmiljön som krävs för att optimera cellviabilitet och funktion 21-24.
Det finns en stor mängd litteratur som beskriver metoder för skal SSB kulturer av däggdjursceller specifikt för kultur och utbyggnad av pluripotenta celler 25-32, med andra fokuserade på holme (beta) celler 17,33,34, eller produktion av biologiska produkter 24, 35-38. Många av dessa undersökta celltyper kan odlas i sfäroida kulturer, och särskilda förfaranden för den celltyp som används bör optimeras innan genomföra en kontinuerlig matningssystem. I denna demonstration var en perfusion matningsmetod som används för att expandera en beta cellinje odlas som sfäroider i en omrörd bioreaktor 39-43. Den metod som beskrivs häri tillhandahåller enunderlätta genomförandet av utfodring ränteförändringar baserade på off-line glukosmätningar för att uppnå riktade odlingsbetingelser. Justering av matningshastigheten med denna metod för att upprätthålla en fysiologisk glukosnivån visas till ökningar cellutbyten. Däggdjursceller är beroende på en nyckelkod näringsämne, glukos, för energiproduktion, så användningen av denna cellinje representerar en modell för många odlade däggdjursceller 44. Dessutom har denna linje exemplifierar ytterligare komplexitet betaceller, som är känsliga för kroniskt höga nivåer av glukos 45. För denna studie var p-TC6 celler tilläts bilda sfäroider i odling för att approximera den genomsnittliga storleken på Langerhanska öar in vivo. Perfusionen bioreaktorsystem 17 – 19,21,46 med en matningshastighet justeras för att glukoskonsumtion, resulterade i upprätthållande av fysiologiska betingelser och högre utbyten cell utan förändringar i viabilitet.
Generera däggdjurscellprodukter för framställning av biologiska agens och cellterapi kräver kultur och övervakning av däggdjursceller i stor skala 55-58. Vidare har dessa applikationer kräver definierade och validerade odlingsbetingelser. Helt enkelt öka volymen av celler med användning av forsknings teknik kommer inte uppfyller alla dessa krav. Manuella ändringar medel orsakar svängningar i näringsämnen och ackumulering av avfallsprodukter minskar cellernas kvalitet, lönsa…
The authors have nothing to disclose.
The authors thank Michael Garwood and Sam Stein for their helpful comments, and Kristen M. Maynard for assistance with manuscript preparation.
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) |