Гибкий мониторинг стволовых клеток

На обложке свежего номера Science Advances изображены четыре чашки Петри с культурами человеческих мезенхимальных стволовых клеток. Они растут внутри красного гидрогеля, который служит для них каркасом. А на дне каждой чашки мы видим пятиконечный массив датчиков, напоминающий щупальца медузы Lucernaria. Эти датчики непрерывно собирают информацию о содержании растворенного кислорода, концентрации глюкозы, pH и температуре внутри культуры.

Развитие персонализированной медицины и исследование стволовых клеток требуют их масштабного производства. При этом желательно, чтобы выращенные клетки были высокого качества и приемлемой стоимости. А это — сложная инженерная задача. За развитием клеток нужно постоянно следить, особенно для него важна доступность кислорода. Для выращивания стволовых клеток широко используются волновые биореакторы. Каждый из них представляет собой полупроницаемый мешок, внутри которого содержится среда с культурой клеток. И этот мешок расположен на волнообразно движущейся платформе, которая обеспечивает аккуратное перемешивание среды с клетками. Внутри мешка размещается одноточечный датчик, который не в состоянии проконтролировать всю среду внутри.

Ученые из из нескольких институтов Атланты (штат Джорджия, США) разработали свою систему. Они изготовили недорогие в производстве датчики, которые легко масштабировать и использовать хоть в мешке объемом до двух литров, хоть в небольшой чашке Петри. Количество датчиков, конструкция матрицы, на которой они размещены, и расположение датчиков могут свободно выбираться в зависимости от биореактора или объема культивируемых клеток.

Массив датчиков для чашек Петри и для мешков. Изображение из статьи J. Lee et al., 2024. Large-scale smart bioreactor with fully integrated wireless multivariate sensors and electronics for long-term in situ monitoring of stem cell culture

Сами датчики тонкие, гибкие, высокочувствительные, надежные и долговечные — по крайней мере, отлично проработали месяц испытаний. Устройство каждого датчика я, пожалуй, описывать не буду, достаточно упомянуть, что они сложные, многослойные, высокотехнологичные, в них есть графен, золото и наночастицы композита из платины и палладия.

A — массив тонкопленочных электродов на пластине. B — строение датчиков pH, температуры, содержания растворенного кислорода (DO), концентрации глюкозы. Внизу представлены фото верхней поверхности каждого датчика под электронным микроскопом. C — соединения датчиков (вверху) и чертеж схемы, показывающей крепление каждого датчика. Изображение из статьи J. Lee et al., 2024. Large-scale smart bioreactor with fully integrated wireless multivariate sensors and electronics for long-term in situ monitoring of stem cell culture

Каждый сенсор окружен защитной мембраной из полимера полиэфирсульфона (ПЭС). Размер пор мембраны позволяет ионам и молекулам воды проникать непосредственно к сенсору и не пропускает более крупные молекулы или сами стволовые клетки, которые могли бы привести к загрязнению и ухудшению работы датчика.

A — массив датчиков и отдельные сенсоры. B — схема строения ПЭС-мембраны, окружающей датчик. Изображение из дополнительных материалов к статье J. Lee et al., 2024. Large-scale smart bioreactor with fully integrated wireless multivariate sensors and electronics for long-term in situ monitoring of stem cell culture

Датчики беспроводные, отправляют данные по Bluetooth в режиме реального времени. Они питаются за счет литий-полимерного аккумулятора. При необходимости датчики можно подключить к устройству для передачи данных и зарядки с помощью USB-кабеля.

Фото © Jimin Lee с сайта science.org.

Юлия Михневич