Microfluidic Spheroid Array for the Transport of Living Cell Cultures

Abstract

Effizienter Transport und die Lagerung lebender Zellen sind entscheidend für den Fortschritt in der regenerativen Medizin, Zellbanken und der therapeutischen Entwicklung. Aktuelle Methoden für den Zelltransport stehen vor erheblichen Herausforderungen: Der Transport kryokonservierter Zellen mit flüssigem Stickstoff ist teuer und gefährlich, während Trockeneis die Verdunstung und die Toxizität von Dimethylsulfoxid (DMSO) verstärken kann. Gleichzeitig wird der Transport lebender Zellen in Kulturmedien durch Sauerstoffmangel und pH-Instabilität beeinträchtigt. Diese Einschränkungen verdeutlichen den dringenden Bedarf an zuverlässigeren und effektiveren Methoden. Sphäroide, als Form der 3D-Zellkultur, bieten eine vielversprechende Alternative, da sie in ihrer Struktur und Funktion nativen Geweben ähneln und widerstandsfähiger gegenüber den Belastungen durch Kryokonservierung und Transport sind als herkömmliche 2D-Kulturen und Einzelzell-Suspensionen. Um diese Vorteile in einen praktischen Workflow zu integrieren, wurden verschiedene Puffersysteme und Kryoprotektiva in HEK- und HeLa-Zelllinien getestet, um ihre Eignung zur Unterstützung von Sphäroidbildung, Kryokonservierung und Erholung zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass CO2-unabhängige Medien in Kombination mit NutriFreez-Kryoprotektiva eine höhere Lebensfähigkeit nach dem Auftauen erzielten als andere getestete Bedingungen. HeLa-Sphäroide wiesen die beste Lebensfähigkeit und erfolgreiche Rekultivierung nach dem Auftauen auf, während HEK-Sphäroide eine geringere Lebensfähigkeit zeigten, was die Notwendigkeit einer zelllinienspezifischen Optimierung unterstreicht.Ein neuartiger, 3D-gedruckter Cryoinsert-Prototyp wurde entwickelt, um diesen Workflow weiter zu unterstützen, indem er die Sphäroidbildung und das Einfrieren während des Transports erleichtert. Während das Gerät die strukturelle Integrität der Sphäroide effektiv aufrechterhielt, wurde die Lebensfähigkeit nach dem Auftauen durch harzbedingte Toxine beeinträchtigt. Die Verbesserung der Biokompatibilität des Cryoinsert-Materials sowie die Optimierung der Kryokonservierungsprotokolle sind entscheidend, um diese Herausforderungen zu bewältigen und eine zuverlässige Lösung für den Transport lebender Zellen zu schaffen.

Efficient transportation and storage of live cells are vital for progress in regenerative medicine, cell banking, and therapeutic development. Current cell transportation methods face notable challenges: transporting cryopreserved cells with liquid nitrogen is expensive and hazardous, while dry ice risks evaporation and exacerbates dimethyl sulfoxide (DMSO) toxicity. Meanwhile, live-cell transport in culture media is hindered by oxygen depletion and pH instability. These limitations underscore the critical need for more reliable and effective methods.Spheroids, as a form of 3D cell culture, offer a promising alternative due to their structural and functional similarity to native tissues, as well as their enhanced resilience to the stresses of cryopreservation and transportation compared to traditional 2D cultures and single-cell suspensions. To integrate these advantages into a practical workflow, various buffer systems and cryoprotectant formulations were tested in HEK and HeLa cell lines to evaluate their effectiveness in supporting spheroid formation, cryopreservation, and recovery. Results indicated that CO2-independent media combined with NutriFreez cryoprotectant solutions yielded higher post-thaw viability compared to other tested conditions. HeLa spheroids demonstrated the best viability and successful reculturing after thawing, while HEK spheroids exhibited reduced viability, emphasizing the need for cell-line-specific optimization.A novel 3D-printed Cryoinsert prototype was developed to further support this workflow by facilitating spheroid formation and freezing during transportation. While the device effectively maintained spheroid structural integrity, post-thaw viability was compromised by resin-derived toxins. Enhancing the biocompatibility of the Cryoinsert material, along with optimizing cryopreservation protocols, is essential for addressing these challenges and providing a reliable solution for the transportation of live cells.