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Technologie

Die Technologie der magnetischen 3D-Zellkultur von Greiner Bio-One beruht auf der Magnetisierung von Zellen mittels biokompatiblem NanoShuttle™-PL. Die reproduzierbare Bildung eines Sphäroids pro Well in einer F-Bodenplatte mit zellabweisender Oberfläche wird durch den Einsatz von Magneten entweder durch Levitation oder Bioprinting erreicht, um strukturell und biologisch repräsentative 3D-Modelle in-vitro zu bilden.

Sphäroidbildung durch magnetische Levitation, Bioprinting und Ringstrukturbildung.

Die Vorteile der magnetischen 3D-Zellkultur (m3D) Technologie sind:

  • 3D in einem 2D Arbeitsablauf
  • Reproduzierbare Sphäroidbildung
  • Skalierbar – 6 Well bis 1536 Well
  • Durchführung auf einer ebenen Well Oberfläche, optimal für hochauflösende Mikroskopie und HTS
  • Schnelle 3D-Kulturbildung innerhalb von 24 Stunden für die meisten Zelltypen
  • Keine spezielle Ausrüstung oder Medien nötig
  • Einfacher Medienwechsel und Co-Kultivierung verschiedener Zelltypen
  • Kompatibel mit Fluoreszenzmikroskopie, Western Blotting, qRT-PCR, Durchflusszytometrie, Viabilitäts-Assays, Chemilumineszenz, etc.
  • Kompatibel mit Automatisierungssystemen
  • Biokompatible Nanopartikel zur Magnetisierung von Zellen

Im Gegensatz zur magnetischen Levitation werden beim magnetischen 3D-Bioprinting magnetisierte Zellen mit Hilfe von schwachen magnetischen Kräften am Näpfchenboden zu Sphäroiden zusammengeführt. Ein Magnet unter jedem Well induziert die Zellaggregation und bildet einen Sphäroid pro Well innerhalb von 15 Minuten bis einigen Stunden. Danach können die Sphäroide ohne Magnetkraft langfristig kultiviert werden. Dieses System überwindet die Grenzen anderer Plattformen, indem es eine schnelle Bildung von Sphäroiden ermöglicht, die Größe der Sphäroide in Abhängigkeit von der Zellzahl reproduzierbar und skalierbar ist. Die Technologie ist für Hochdurchsatz-Anwendungen (96, 384 und 1536 Well) geeignet und nicht auf spezifische Zelltypen beschränkt. Das 3D-Bioprinting in Verbindung mit handelsüblichen standardisierten biochemischen Testverfahren zur kontinuierlichen Beurteilung der Zell-Viabilität und anderer Funktionen stellt eine ideale Kombination für das Compound Screening im Hochdurchsatz dar.

Durch die Nutzung magnetischer Kräfte zum Festhalten der magnetisierten Sphäroide während der Aspiration wird das Hinzufügen und Entfernen von Lösungen erleichtert und der Sphäroidverlust begrenzt. Sphäroide können durch den Einsatz von Magnetwerkzeugen, wie dem MagPen, aufgenommen und zwischen den Näpfchen übertragen werden. Darüber hinaus können die magnetischen Kräfte auch genutzt werden, um Co-Kulturen mit feiner räumlicher Anordnung zu schaffen.

Bioprinting der 3D-Cokulturen von Lungenadenokarzinom (Calu-3; rot) und Fibroblasten (grün) nach 16 Stunden. Die Krebszellen sind im Inneren reproduzierbar lokalisiert, während sich die meisten Fibroblasten außerhalb der Co-Kultur befinden.
Grundschritte des magnetischen Bioprintings mit Magnetisierung der Zellen, Übertragung auf zellabweisende Platte und Bioprinting mit einem Magneten.

Die magnetische Levitation ist eine einfache Methode, um native Gewebeumgebungen in vitro herzustellen. Die magnetisierten Zellen werden von einem Magneten, der über dem Zellkulturgefäß platziert wird, in den Schwebezustand angehoben. Die Magnetkräfte wirken hierbei wie ein unsichtbares „Gerüst“, durch dessen Hilfe die Zellen schnell und schonend aggregieren und die Bildung von Zell-Zell-Interaktionen, sowie die Expression von ECM-Proteinen induziert. Die 3D-Zellkulltur Bildung erfolgt ohne Zugabe von künstlichen Substraten oder der Verwendung von speziellen Medien oder Geräte und kann langfristig kultiviert werden. Durch die sanfte Methode der magnetischen Levitation können die Kulturen eine Morphologie im Makroskala bilden, welche ihrem nativen Gewebe am nächsten kommt.

Die Hauptanwendung dieser Technologie ist die Herstellung von 3D-Zellkulturen unter verschiedenen Kultivierungsbedingungen, um sie mit gängigen biologischen Techniken, wie immunhistochemischen Analysemethoden und Western Blots, zu untersuchen.

Die aktuellen Standards für das Wirkstoffscreening sind Tiermodelle; sie repräsentieren auf der einen Seite menschliches Gewebe von Interesse sind aber auf der anderen Seite teuer, knapp und mit ethischen Herausforderungen verbunden. 2D In-vitro-Assays imitieren schlecht die native zelluläre Umgebung und damit die menschliche in vivo-Reaktion, bieten aber einfache Hochdurchsatztests. Es besteht ein Bedarf an In-vitro-Assays, welche sowohl die menschliche in vivo Reaktion als auch den Hochdurchsatz kombinieren.

Aus diesem Grund haben wir einen Viabilitäts-Assay, den BiO-Assay, entwickelt. Basierend auf dem magnetischen 3D-Bioprinting werden die mit NanoShuttle-PL (NS) magnetisierten Zellen zu Sphäroide oder Ringstrukturen zusammengeführt. Unmittelbar im Anschluss schrumpfen/schließen sich diese Strukturen in Abhängigkeit von Zellmigration, Lebensfähigkeit, Zell-Zell-Interaktion und/oder Proliferation und variieren je nach Wirkstoff-Dosierung. Der Ringschluss kann mit einem kompakten Imaging-Kit (n3Dock) mit einem iPod unter Verwendung von einer frei verfügbaren App (Experiment Assistant) erfasst werden. Ganze Platten können in bestimmten Abständen visualisiert werden, ohne dass der Einsatz eines Mikroskops erforderlich ist. Die Kontraktion / der Ringschluss der Kultur ist in der Regel innerhalb von 24 Stunden abgeschlossen und die Bilder werden im Batch-Verfahren verarbeitet, um schnell Toxizitätsdaten zu erhalten. Da der Assay markierungsfrei ist, stehen die verbleibenden Ringe oder Sphäroide für weitere Experimente zur Verfügung (IHC, Western Blot, Genomik, etc.).

Der BiO-Assay kann verwendet werden, um die Kontraktion von Ringen und Sphäroiden zu verfolgen, welche verschiedene Situationen darstellen kann. Bei Ringen kann das Schließen des Rings eine Wundheilung abbilden, wobei Zellen daran arbeiten, den Hohlraum in der Mitte des Rings zu schließen. Darüber hinaus können Ringe ähnlich geformte Gewebe wie Blutgefäße abbilden, in denen Dilatation und Kontraktion untersucht werden kann. Bei Sphäroiden steht die Kontraktion im Zusammenhang mit der sphäroidischen Aussbildung, wobei der Test makroskopisch misst, wie gut die Zellen interagieren und migrieren, um eine kompetente Struktur aufzubauen.

Der BiO-Assay kombiniert 3D-Zellkultur mit Hochdurchsatz- und Hochauflösenden-Tests, um die in vivo-Reaktion in vitro effektiv vorherzusagen.

iPod basiertes Imaging System.

Im Gegensatz zu Standard-Gewebekulturoberflächen, die optimiert sind, um die Bedingungen für die Zellbindung zu verbessern, wurde die zellabweisende Oberfläche entwickelt, um die Zellbindung effektiv zu unterbinden. CELLSTAR® Zellkulturgefäße mit einer zellabweisenden Oberfläche verhindern zuverlässig die Zellbindung in Suspensionskulturen von semi-adhärenten und adhärenten Zelllinien, bei denen die für die Suspensionskultur üblichen hydrophoben Standardoberflächen unzureichend sind.

Für die Bildung von Sphäroiden, Stammzellaggregaten und selbstorganisierten runden Clustern, die als 3D-Zellkulturmodelle verwendet werden, muss die Zell-Zell-Interaktion über die Interaktion zwischen den Zellen und der Zellkulturgefäßoberfläche dominieren. CELLSTAR® Zellkulturgefäße mit zellabweisender Oberfläche verhindern wirkungsvoll die Zellanhaftung und fördern die spontane Bildung dreidimensionaler Sphäroide durch Gravitation: ein einzelner Sphäroid pro Well in Rundboden-Mikroplatten oder mehrere Sphäroide in Flachbodenplatten, Schalen und Flaschen.

Langfristige Inkubationen von Hydrogelkulturen werden häufig als Ansatz zur Nachahmung einer 3D-Umgebung durchgeführt. Wenn bei diesem Ansatz Standard-Gewebekulturgefäße verwendet werden, neigen einige Zellen dazu, aus dem Hydrogel zu migrieren und eine 2D-Subkultur auf der Gefäßoberfläche zu bilden. Die Analyse einer solchen Zellpopulation führt daher zu gemischten Daten aus 2D- und 3D-Zellkulturen. Durch den Einsatz von CELLSTAR® Zellkulturgefäße mit einer zellabweisenden Oberfläche für Hydrogelkulturen wird die Bildung von 2D-Subkulturen effektiv unterdrückt.

Tumor-Sphäroide in einer 96 Well CELLSTAR® U-Boden Microplatte mit zellabweisender Oberfläche
a) LNCaP Zellen bilden einen singulären Sphäroid im Näpfchen einer 96 Well U-Boden Microplatte mit zellabweisender Oberfläche. Es wurden 3.000 Zellen pro Well ausgesät und bei 37 °C und 5 % CO2 sieben Tage lang inkubiert.
b) Aggregat-Bildung von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) in einer 96 Well U-Boden Microplatte mit zellabweisender Oberfläche.

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Applikationen & Zelllinien

Welche Plattform ist die beste für Ihre Applikation?

Stem Cell LinesCancer Cell LinesPrimary Cell LinesOther Cell Lines
Neural stem cellsLN229 – Glioblastoma cellsPrimary Glioblastoma cellsHuman Astrocyte
Mesenchymal stem cellHepG2 — Human liver carcinoma Human lung primary cells:
- epithelial
- endothelial
- fibroblasts
- smooth muscle
3T3 fibroblasts
Neural crest-derived mesenchymal stem cellA549 — Lung epithelial adecarcenomaValvular interstitial cells (VICs)Bend (brain endothelial)
Dental pulp stem cellPC3 — Human prostate cancerValvular endothelial cells (VECs)Adipocyte
H-4-II-E — Rat hepatoma, liverAortic valve co-cultures (AVCCs)Huvec - Human umbilical endothelial cells
MDA-231 - Human breast cancerPrimary mouse heart cellsHPF - Human pulmonary fibroblast
LNCaP - Prostate cancer cell lineHuman Primary vascular smooth muscleSMC - Tracheal smooth muscle cell
Ovarian cancer cellsPrimary Miomytrial Smooth muscleHEK293 - Human embryonic kidney
Panc-1 - Pancreatic cancer cellPrimary human hepatocytesMCF-10A - Breast epithelial cell line
Cancer associated fibroblastsPrimary pancreatic cancer cellsFibroblast
Triple negative inflammatory breast cancerPrimary tissue from PDXChondrocytes
Caki-1 – Human renal cancer cell linePrimary fibroblastsT-cells
OsteosarcomaKeratinocytesA10 - Rat vascular smooth muscle
HCT116 - colon cancer cell line

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Produkte

TypeOrder no.Description
Magnetic levitation 6 Well / 24 Well6578406 Well Bio-Assembler™ Kit
Magnetic levitation 6 Well / 24 Well66284024 Well Bio-Assembler™ Kit
Magnetic levitation 6 Well / 24 Well66282424 Well Custom Lid
Spheroid Bioprinting 96 Well / 384 Well65584096 Well Bioprinting Kit
Spheroid Bioprinting 96 Well / 384 Well65584196 Well Bioprinting Kit µClear®
Spheroid Bioprinting 96 Well / 384 Well65585096 Well Ring Drive
Spheroid Bioprinting 96 Well / 384 Well781840384 Well Bioprinting Kit
Spheroid Bioprinting 96 Well / 384 Well781841384 Well Bioprinting Kit µClear®
Spheroid Bioprinting 96 Well / 384 Well781850384 Well Ring Drive
Screening & Imaging 96 Well / 384 Well65584696 Well BiO Assay™ Kit
Screening & Imaging 96 Well / 384 Well65584996 Well BiO Assay™ Kit & Imaging System
Screening & Imaging 96 Well / 384 Well781846384 Well BiO Assay™ Kit
Screening & Imaging 96 Well / 384 Well781849384 Well BiO Assay™ Kit & Imaging System
Consumables / Accessories for Magnetic 3D Cell Culture657841NanoShuttle™-PL Refill
Consumables / Accessories for Magnetic 3D Cell Culture657843NanoShuttle™-PL Refill 3 Pack
Consumables / Accessories for Magnetic 3D Cell Culture657846NanoShuttle™-PL Refill 6 Pack
Consumables / Accessories for Magnetic 3D Cell Culture657852NanoShuttle™-PL Refill 12 Pack
Consumables / Accessories for Magnetic 3D Cell Culture657850MagPen™ 3 Pack
Consumables / Accessories for Magnetic 3D Cell Culture657847NanoShuttle™-PL Refill 6 Pack with free iPod
Consumables / Accessories for Magnetic 3D Cell Culture657860Imaging Kit
Consumables / Accessories for Magnetic 3D Cell Culture657810Battery Power for Imaging Kit
TypeOrder no.Description
Dishes with Cell-Repellent Surface627979Cell Culture Dish, Ø 35x10 mm, PS, cell-repellent surface, clear, sterile
Dishes with Cell-Repellent Surface628979Cell Culture Dish, Ø 60x15 mm, PS, cell-repellent surface, clear, sterile
Dishes with Cell-Repellent Surface664970Cell Culture Dish, Ø 100x20 mm, PS, cell-repellent surface, clear, sterile
Flasks with Cell-Repellent Surface690980Cell Culture Flask, 50 ml, PS, cell-repellent surface, sterile, white screw cap
Flasks with Cell-Repellent Surface690985Cell Culture Flask, 50 ml, PS, cell-repellent surface, sterile, white filter screw cap
Flasks with Cell-Repellent Surface658980Cell Culture Flask, 250 ml, PS, cell-repellent surface, sterile, white screw cap
Flasks with Cell-Repellent Surface658985Cell Culture Flask, 250 ml, PS, cell-repellent surface, sterile, white filter screw cap
Flasks with Cell-Repellent Surface660980Cell Culture Flask, 550 ml, PS, flat flask design, cell-repellent surface, sterile, white screw cap
Flasks with Cell-Repellent Surface660985Cell Culture Flask, 550 ml, PS, flat flask design, cell-repellent surface, sterile, white filter screw cap
Flasks with Cell-Repellent Surface661980Cell Culture Flask, 650 ml, PS, high flask design, cell-repellent surface, sterile, white screw cap
Flasks with Cell-Repellent Surface661985Cell Culture Flask, 650 ml, PS, high flask design, cell-repellent surface, sterile, white filter screw cap
Multiwell Plates with Cell-Repellent Surface6579706 well Multiwell Plate, PS, cell-repellent surface, clear, with lid, sterile
Multiwell Plates with Cell-Repellent Surface66297024 well Multiwell Plate, PS, cell-repellent surface, clear, with lid, sterile
Multiwell Plates with Cell-Repellent Surface67797048 well Multiwell Plate, PS, cell-repellent surface, clear, with lid, sterile
Microplates with Cell-Repellent Surface65597096 well Microplate, PS, F-bottom/chimney well, cell-repellent surface, clear, with lid, sterile
Microplates with Cell-Repellent Surface65597696 well Microplate, PS, F-bottom/chimney well, cell-repellent surface, black, μClear®, with lid, sterile
Microplates with Cell-Repellent Surface655976-SIN96 well Microplate, PS, F-bottom/chimney well, cell-repellent surface, black, μClear®, with lid, sterile
Microplates with Cell-Repellent Surface65097096 well Microplate, PS, U-bottom, cell-repellent surface, clear, with lid, sterile
Microplates with Cell-Repellent Surface65197096 well Microplate, PS, V-bottom, cell-repellent surface, clear, with lid, sterile
Microplates with Cell-Repellent Surface65097996 well Microplate, PS, U-bottom, cell-repellent surface, clear, with lid, sterile
Microplates with Cell-Repellent Surface781970384 well Microplate, PS, cell-repellent surface, clear, with lid, sterile
Microplates with Cell-Repellent Surface781976384 well Microplate, PS, cell-repellent surface, black, μClear®, with lid, sterile
Microplates with Cell-Repellent Surface781976-SIN384 well Microplate, PS, cell-repellent surface, black, μClear®, with lid, sterile
Microplates with Cell-Repellent Surface787979384 well Microplate, PS, U-bottom, cell-repellent surface, black, μClear®, with lid, sterile

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Publikationen

YearAuthor/Title/LinkReference
2018Eckhardt, B. L. et al. Clinically relevant inflammatory breast cancer patient-derived xenograft-derived ex vivo model for evaluation of tumor-specific therapies. PLOS ONE. 13, 5 (2018)
2018Hou, S. et al. Advanced Development of Primary Pancreatic Organic Tumor Models for High-Throughput Phenotypic Drug Screening.SLAS DISCOVERY. 0, 0 (2018)
2017Noel, P. et al. Preparation and Metabolic Assay of 3-dimensional Spheroid Co-cultures of Pancreatic Cancer Cells and Fibroblasts.J. Vis. Exp. 126, 56081 (2017)
2017 Desai, P. K., Tseng, H. & Souza, G. R. Assembly of hepatocyte spheroids using magnetic 3D cell culture for CYP450 inhibition/induction.Int. J. Mol. Sci. 18, 1085 (2017)
2017Souza, G. R. et al. Magnetically bioprinted human myometrial 3D cell rings as a model for uterine contractility.Int. J. Mol. Sci. 18, 683 (2017)
2016Pan, Y. et al. miR-509-3p is clinically significant and strongly attenuates cellular migration and multi-cellular spheroids in ovarian cancer. Oncotarget. 7.18, 25930-25948 (2016)
2016Tseng, H. et al. A high-throughput in vitro ring assay for vasoactivity using magnetic 3D bioprinting.Sci. Rep. 6, 30640 (2016)
2016Hogan, M. et al. Assembly of a functional 3D primary cardiac construct using magnetic levitation. AIMS Bioeng. 3, 277–288 (2016)
2016Lin, H. et al. Nanoparticle improved stem cell therapy for erectile dysfunction in a rat model of cavernous nerve injury. J. Urol. 195, 788-95 (2016)
2015Tseng, H. et al. A spheroid toxicity assay using magnetic 3D bioprinting and real-time mobile device-based imaging. Sci. Rep. 5, 13987 (2015)
2014Jaganathan, H. et al. Three-dimensional in vitro co-culture model of breast tumor using magnetic levitation.Sci. Rep. 4, 6468 (2014)
2013Tseng, H. et al. A three-dimensional co-culture model of the aortic valve using magnetic levitation. Acta Biomater. 10, 173–82 (2013)
2013Timm, D. M. et al. A high-throughput three-dimensional cell migration assay for toxicity screening with mobile device-based macroscopic image analysis. Sci. Rep. 3, 3000 (2013).
2013Haisler et al Three-dimensional cell culturing by magnetic levitationNat. Protoc. 8, 1940–9 (2013)
2013Tseng, H. et al. Assembly of a three-dimensional multitype bronchiole coculture model using magnetic levitation. Tissue Eng. Part C. Methods 19, 665–75 (2013)
2013Becker, J. L. & Souza, G. R. Using space-based investigations to inform cancer research on Earth. Nat. Rev. Cancer 13, 315–27 (2013)
2012Daquinag, A. C., Souza, G. R. & Kolonin, M. G. Adipose tissue engineering in three-dimensional levitation tissue culture system based on magnetic nanoparticles. Tissue Eng. Part C. Methods 19, 336–44 (2012)
2010Souza, G. R. et al. Three-dimensional tissue culture based on magnetic cell levitation. Nat. Nanotechnol. 5, 291–6 (2010)
YearTitleConference
20183D Cultures of iPSC-derived Human Motor Neurons & Tracheal Smooth Muscle Cells in HTS Format Using Magnetic 3D BioprintingSociety for Neuroscience Annual Meeting, San Diego, CA
2018A PDX-DerivedEx-Vivo Tumor Tissue Array Platform Utilizing Magnetic 3D Bioprinting for The Identification of Tumor-Specific TherapiesAmerican Association of Cancer Research Annual Meeting, Chicago, IL
2018Validation of Magnetic 3D Spheroid Bioprinting in Combination with a BlueWasherSociety of Lab Automation and Screening Annual Conference and Exhibition, San Diego, CA
2016High-throughput spheroid formation for compound screening using magnetic 3D bioprintingDechema 3D Cell Culture, Freiburg, Germany
2016Development of spheroids derived from tumor biopsies and patient-derived xenografts using magnetic 3D bioprintingAmerican Association of Cancer Research Annual Meeting, New Orleans, LA
2016Magnetically 3D bioprinted hepatocyte spheroids for in vitro metabolic studiesSociety of Toxicology Annual Meeting, New Orleans, LA
2016High-throughput spheroid formation for compound screening using magnetic 3D bioprintingSociety of Lab Automation and Screening Annual Conference and Exhibition, San Diego, CA
2015Somatic mutation detection from liquid biopsy-derived cellular aggregates formed by magnetic 3D bioprintingAACR-NCI-EORTC International Conference on Molecular Targets and Cancer Therapeutics, Boston, MA
2015High-throughput functional toxicity screening with iPS-cardiomyocyte and hepatocyte spheroids by magnetic 3D bioprintingCellular Dynamics iForum, Chicago, IL
2015High-throughput spheroid formation in a 384-well format using magnetic 3D bioprintingAmerican Association of Cancer Research Annual Meeting, Philadelphia, PA
2015High-throughput spheroid printing and toxicity testing using magnetic 3D bioprintingSociety of Lab Automation and Screening Annual Conference and Exhibition, Washington, DC
2014Magnetic 3D Bioprinting: A novel high-throughput and high-content assay for toxicity screeningEuropean Society of Toxicology In Vitro International Conference, Egmond aan Zee, The Netherlands
2014A novel vascular “ring” assay for smooth muscle contractility using magnetic 3D bioprintingArteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology Scientific Sessions, Toronto, ON
2014Magnetic 3D Bioprinting: A novel high-throughput and high-content assay for toxicity screeningSociety of Toxicology Annual Meeting, Phoenix, AZ
2013A high-throughput three-dimensional magnetically printed cellular assay (BiO Assay) for toxicity screening for breast cancer applicationsSan Antonio Breast Cancer Symposium, San Antonio, TX
2013A high-throughput three-dimensional cell migration assay for toxicity screening using magnetic levitation with mobile device-based macroscopic image captureAmerican Association of Pharmaceutical Scientists Annual Meeting and Exhibition, San Antonio, TX

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Ansprechpartner

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Glauco Souza, Ph.D.

Director of Global Business Development & Innovation 3D Cell Culture Bioscience

Telefon +1 (0)281 939-3407
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Dr. Jennifer Bischoff

Produktmanager

Telefon +49 (0)7022 948-317
[email protected]

Greiner Bio-One GmbH
Maybachstr. 2
D-72636 Frickenhausen
Germany
Tel: +49 7022 948-0
E-Mail: [email protected]

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