Die Zukunft der High-Content-Analysis ist 3D

Die Zukunft der High-Content-Analysis ist 3D

, 23. April 2020

Yokogawa und InSphero kombinieren die Leistungsfähigkeit einer fortschrittlichen HCA-Plattform mit multizellulären 3D-Modellen zur Wirkstoffentdeckung

Die InSphero AG, ein Biotech-Unternehmen mit Sitz in Schlieren in der Schweiz, entwickelt dreidimensionale zellbasierte Plattformen für die Wirkstoffentdeckung und Sicherheitsprüfung und setzt neue Maßstäbe für fortschrittliche, jedoch einfach anzuwendende, 3D-Assay-Lösungen für die prädiktive Wirkstoffklassifizierung. Die 3D InSight™-Mikrogewebe des Unternehmens sind komplexe multizelluläre Modelle mit einer dreidimensionalen Architektur, welche die Bildung von Zell-Zell-Kontakten und ausgeprägten Mikroumgebungsmerkmalen nativer Gewebe des Menschen ermöglicht und sich somit ideal für präklinische Tests von zu prüfenden Wirkstoffen eignet.

InSphero und seine Partner in der Pharma- und Biotech-Industrie hatten großes Interesse daran, das volle Potenzial von 3D-Modellen durch die Abfrage bestimmter Wechselwirkungen von Zellpopulationen und die Extraktion von räumlichen und zeitlichen Informationen auszuschöpfen. Die High-Content-Analysis (HCA), besonders das High-Content-Imaging, wurde als Schlüsseltechnologie zur Erreichung dieser technisch anspruchsvollen Ziele identifiziert.

Hochauflösend: 3D Imaging und 3D-Bildanalyse

In diesem Zusammenhang hat InSphero vor kurzem die Mikrotitrierplatte Akura™ 384 im 384-Well-Plattenformat auf den Markt gebracht, welche für 3D-Zellenkultur und HCA optimiert ist. Im Rahmen der Planung der Markteinführung dieser neuen Titrierplatte, suchte InSphero aktiv nach HCA-Partnern, die Plattformen mit hochauflösendem 3D-Imaging und 3D-Bildanalyse anbieten, um das volle Potenzial dieser kombinierten Technologien (3D-Zellmodell und HCA) auszunutzen. Frauke Greve, Produktmanager bei InSphero für Cell Culture Consumables, war für die Recherche am HCA-Markt verantwortlich und wendete sich an das Business-Team Life Innovation von Yokogawa mit Sitz in Kanazawa, Japan.

CellVoyager CV8000 als High-End-System

Yokogawas Angebot an HCA-Produkten umfasst den CellVoyager CV8000 als High-End-System, das CQ1 (Abb. 1) als Benchtop-Instrument sowie die Analysis-Softwaresuite CellPathfinder™. Durch Anwendung von konfokalen Scanning-Technologien, basierend auf Mikrolinsen-erweiterten Nipkow-Scheiben, erfassen die HCA-Systeme von Yokogawa automatisch eine große Anzahl an hochauflösenden, 2D-/3D-Konfokalmikroskopaufnahmen mit minimaler Phototoxizität und Photobleichung. Ferner lassen sich die erfassten Informationen in den Bildern quantifizieren  und einzelne Datenpunkte in Graphen können direkt ihren entsprechenden Mikroskopaufnahmen  zu geordnet werden. Die HCA-Systeme von Yokogawa bieten darüber hinaus ideale Kulturbedingungen für lebende Zellen durch eine Temperaturregelung, CO2-Regelung, und Befeuchtung. Diese Funktionen ermöglichen die Überwachung dynamischer physiologischer Veränderungen auf zellulärer Ebene.

Abb. 1: Yokogawa CellVoyager CQ1 Benchtop-Instrument

 

„Wir sind immer auf der Suche nach Kooperationen mit Wissenschaftlern aus dem Bereich der Biowissenschaften, die unsere Imaging-Technologien und -Lösungen für ihre Forschungsanwendungen nutzen möchten. Wir sind froh, dass InSphero sich an uns gewendet hat“,  Mahomi Suzuki, Application Scientist bei Yokogawa.

Der erste Schritt in dieser neuen Zusammenarbeit zwischen InSphero und Yokogawa war die Durchführung von Imaging-Experimenten. Im Januar 2019 wurden die ersten Tests in den Yokogawa-Forschungslabors in Kanazawa, Japan, durchgeführt. Proben wurden mit zwei Yokogawa CellVoyager-Systemen getestet: dem CQ1-Benchtop- Confocal Quantitative Image Cytometer und dem CV8000 High-Throughput Cytological Discovery System. Die Bildaufnahmebedingungen des CQ1-Systems wiesen eine hohe Kompatibilität mit den Akura™ 384-Titrierplatten auf. Daher wurde das CQ1-Instrument als perfekte Lösung für die gezielten Forschungsanwendungen ausgewählt.

Kooperationsprojekt

Nach der ersten Testphase in Japan verbrachte InSphero mehrere Wochen damit, Experimente zu planen und Proben für ein internes Forschungsprojekt unter Einsatz des CQ1-Systems vorzubereiten. Im August 2019 wurde mit Unterstützung der Cenibra GmbH ein CQ1-System für das Kooperationsprojekt bei der InSphero AG in Schlieren in der Schweiz installiert. Auf die Installation des CQ1 bei InSphero folgte ein Monat intensiver Zusammenarbeit, im Rahmen welcher die Wissenschaftler von InSphero und Wissenschaftler des technischen Supports von Yokogawa Seite an Seite arbeiteten, um hochqualitative Aufnahmen aus einer Vielzahl von Experimenten zu erhalten.

Viele verschiedene Gewebe- und Krankheitsmodelle

Das InSphero-Team untersuchte im Rahmen des einmonatigen Forschungsprojekts viele verschiedene Gewebe- und Krankheitsmodelle mit Dutzenden fluoreszierender Endpunkte. Das Projekt umfasste Studien mit fixierten sowie lebenden Zellen sowie 3D- und 4D-Analysen (3D plus Zeitachse). Der hohe Andrang am CQ1-System führte häufig zu Engpässen bei dessen Verwendung. Für das InSphero-Team war es besonders herausfordernd, alle ihre 3D-Studien mit fixierten Zellen mit den 4D-Studien der lebenden Zellen (Live-Cell-Imaging) zu vereinbaren, da letztere das System häufig mehrere Tage lang in Anspruch nahmen. Das Team stellte jedoch fest, dass Zugang auf das CQ1-System vor Ort dazu beitrug, die Wertschätzung des Anwendungspotenzials der HCA zu fördern. Das Team war sich generell einig, dass diese Forschungskooperation nur „die Spitze des Eisbergs“ darstellen würde, was das wahre Potenzial der Kombination multizellulärer 3D-Modelle mit hochauflösendem 3D-Imaging betrifft. Bis Ende August wurden viele neue Ideen entwickelt, von denen einige aus zeitlichen Gründen nicht mehr getestet werden konnten.

Kontinuierliche Unterstützung durch den Systemanbieter

Im Rahmen der Zusammenarbeit wurde deutlich, dass die Erstellung von für das Imaging geeigneten Proben zahlreiche Optimierungsläufe notwendig machen kann. Sowohl die Bilderfassung als auch die Bildanalyse können Herausforderungen darstellen. Diese beiden Aspekte lassen sich in ein paar Wochen nicht meistern. Daher ist eine kontinuierliche Unterstützung durch den Systemanbieter ein wesentliches Element, um den Erfolg der Arbeiten sicherzustellen. Für 3D-Modelle ist ein umfassendes Set mit 3D-Bild- und Datenanalyse-Tools erforderlich, da unterschiedliche biologische Anwendungen auch unterschiedliche Ansätze der 3D-Bildanalyse erfordern.

Im Oktober 2019 wurde InSphero von Redakteuren der wissenschaftlichen Fachzeitschrift SLAS Discovery dazu eingeladen, eine wissenschaftliche Arbeit für eine kommende Sonderausgabe zur HCA einzureichen. Diese Einladung kam zu einem besonders günstigen Zeitpunkt unmittelbar nach Abschluss des Forschungsprojekts in Zusammenarbeit mit Yokogawa. Die Entscheidung, die Imaging-Daten von Yokogawa für diese Arbeit zu verwenden, führte zu einer weiteren Ausweitung der Zusammenarbeit zwischen InSphero und Yokogawa. Ende 2019 trugen die Projektteams beider Unternehmen zur Bildanalyse und Datenvisualisierung für die Endfassung der Arbeit bei. Die im Abschnitt „Ergebnisse und Diskussion“ vorgestellten HCA-Daten und -Ergebnisse wurden mithilfe von dreidimensionalen multizellulären Modellen von InSphero mit dem CQ1-System und der CellPathfinder™-Softwaresuite von Yokogawa generiert. Zum aktuellen Zeitpunkt wurde die Arbeit unter Vorbehalt angenommen und wird voraussichtlich Anfang August 2020 veröffentlicht.

Der Zitierverweis der Arbeit lautet:

Wardwell-Swanson, J., Suzuki, M., et al. (In Press) A Framework for Optimizing High Content Imaging of 3D Models for Drug Discovery. (in press)

Ein Teil der in dieser Arbeit enthaltenen Forschungsergebnisse wurde ebenfalls auf der jährlichen Tagung der Society of Laboratory Automation and Screening im Januar 2020 in San Diego vorgestellt:

Wardwell-Swanson, J., Suzuki, M., et al. (2020) A Framework for Optimizing High Content Imaging of 3D Models for Drug Discovery. (SLAS-Poster)

Lichtenberg, J., Frey, O., Suzuki, M., Why the Akura™ Technology Platform Enables a Seamless Link from Screening in 3D to Organ-on-a-Chip. („Exhibitor Tutorial“-Präsentation)

Kombination aus gezielter MapMode-Erfassung und großformatiger sCMOS-Kamera

Aus technischer Sicht sind die Forscher von InSphero zur Erkenntnis gekommen, dass ein 72-stündiges 3D-Imaging von lebenden Zellen ohne erkennbare Phototoxizität absolut möglich ist. Dies stellt einen bemerkenswerten Durchbruch bei HCA-Systemen dar und untermauert die qualitativ hochwertige Entwicklung der geschlossenen Inkubatorkammer, der sCMOS-Kamera, der Dualen Spinning-Disk-Technologie und der einstellbaren Laserleistung von Yokogawa. Das InSphero-Team erfuhr auch, dass die Kombination aus gezielter MapMode-Erfassung und großformatiger sCMOS-Kamera die Erfassung eines 250-µm-Sphäroids in einem einzelnen Feld mit einem 20-fach Objektiv möglich macht. Das Team merkte an, dass dies eine signifikante technische Verbesserung samt Zeitersparnis gegenüber der Verwendung einer CCD-Kamera mit nicht zielgerichteter Erfassung darstellt, die häufig zur Erfassung einer großen Anzahl leerer Felder führt und eine Bildzusammenführung (Stitching) erforderlich macht, um benachbarte Felder zu verbinden, die Teile des zu untersuchenden Objekts enthalten.

Abb. 2: 3D-Beispielaufnahme der Co-Kultur eines Tumors mit Färbung

Die Wissenschaftler von InSphero und Yokogawa waren sich einig, dass es interessante und wichtige biologische Fragen gibt (z. B. Zell-Zell-Interaktionen, Antworten von Zellpopulationen sowie räumliche und zeitliche Informationen), die physiologisch relevante 3D-Modelle unter Verwendung der HCA am besten beantworten. Es gibt bereits Hinweise darauf, dass diese Forschungsarbeiten nicht nur auf die Zusammenarbeit zwischen InSphero und Yokogawa beschränkt sind, sondern dass die Ergebnisse dieser Technologiepartnerschaft weiteres Interesse mit anderen Top-Partnern in der Pharma-Industrie geweckt haben und den Weg zu neuen Kooperationen weisen.

Messlatte hoch gelegt

„Eine unserer Herausforderungen als Pioniere in der Biotech-Industrie besteht darin, die richtigen Technologiepartner zu identifizieren, die uns dabei helfen können, wirklich innovative Lösungen für die Wirkstoffforschung und Sicherheitsprüfungen zu entwickeln. Unsere Wissenschaftler und Bio-Ingenieure haben die Messlatte für Yokogawa hoch gelegt, und sie haben unsere Erwartungen sowohl hinsichtlich der Qualität des Imagings und der Datenanalyse als auch der engagierten und enthusiastischen Unterstützung ihres Life Science-Teams stets übertroffen. Ich bin mir sicher, dass wir gemeinsam neue Standards für die High-Content-Analysis von 3D-Sphäroiden setzen werden“, fasst Jan Lichtenberg, Ph.D, CEO und Mitbegründer von InSphero, zusammen.

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Das Yokogawa Life Innovation Business bewegt sich vorwärts

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