Name: 저자 스포트라이트: 재현성 향상을 위한 iPSC 문화 자동화
Uploaded: 2024-01-26T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Automating iPSC Culture for Enhanced Reproducibility at JoVE.com

이 연구는 일본 오사카에 있는 Panasonic Production Engineering Co., Ltd.의 New Business Promotion Center의 보조금으로 지원되었습니다.

간사이 의과대학 윤리위원회는 KMUR001(승인 번호 2020197)라는 건강한 지원자 유래 iPSC의 생성 및 사용을 승인했습니다. 공개적으로 모집된 기증자는 정보에 입각한 공식 동의서를 제공하고 세포의 과학적 사용에 동의했습니다.
참고: 현재 인터페이스(Windows XP 운영 체제에서 실행되는 "ccssHMI"라는 특수 소프트웨어)는 기본 작동 화면입니다. 앞서 언급한 인터페이스 아래에 일련의...

자동 배양 시스템을 사용한 유도 만능 줄기세포 분화

<ol>
	<li>Okita, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+more+efficient+method+to+generate+integration-free+human+iPS+cells.">A more efficient method to generate integration-free human iPS cells.</a> Nature Methods. 8 (5), 409-412 (2011).</li><li>Tanaka, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+pharmacologic+testing+using+human+induced+pluripotent+stem+cell-derived+cardiomyocytes.">In vitro pharmacologic testing using human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes.</a> Biochemical and Biophysical Research Communications. 385 (4), 497-502 (2009).</li><li>Egashira, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Disease+characterization+using+LQTS-specific+induced+pluripotent+stem+cells.">Disease characterization using LQTS-specific induced pluripotent stem cells.</a> Cardiovascular Research. 95 (4), 419-429 (2012).</li><li>Sasamata, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Establishment+of+a+robust+platform+for+induced+pluripotent+stem+cell+research+using+Maholo+LabDroid.">Establishment of a robust platform for induced pluripotent stem cell research using Maholo LabDroid.</a> SLAS technology. 26 (5), 441-453 (2021).</li><li>Tristan, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robotic+high-throughput+biomanufacturing+and+functional+differentiation+of+human+pluripotent+stem+cells.">Robotic high-throughput biomanufacturing and functional differentiation of human pluripotent stem cells.</a> Stem Cell Reports. 16 (12), 3076-3092 (2021).</li><li>Konagaya, S., Ando, T., Yamauchi, T., Suemori, H., Iwata, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-term+maintenance+of+human+induced+pluripotent+stem+cells+by+automated+cell+culture+system.">Long-term maintenance of human induced pluripotent stem cells by automated cell culture system.</a> Scientific Reports. 5, 16647 (2015).</li><li>McClymont, D. W., Freemont, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=With+all+due+respect+to+Maholo,+lab+automation+isn't+anthropomorphic.">With all due respect to Maholo, lab automation isn't anthropomorphic.</a> Nature Biotechnology. 35 (4), 312-314 (2017).</li><li>Gonzalez, F., Zalewski, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Teaching+joint-level+robot+programming+with+a+new+robotics+software+tool.">Teaching joint-level robot programming with a new robotics software tool.</a> Robotics. 6 (4), 41 (2017).</li><li>Bando, K., Yamashita, H., Tsumori, M., Minoura, H., Okumura, K., Hattori, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Compact+automated+culture+system+for+human+induced+pluripotent+stem+cell+maintenance+and+differentiation.">Compact automated culture system for human induced pluripotent stem cell maintenance and differentiation.</a> Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 10, 1074990 (2022).</li><li>Tohyama, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Glutamine+oxidation+is+indispensable+for+survival+of+human+pluripotent+stem+cells.">Glutamine oxidation is indispensable for survival of human pluripotent stem cells.</a> Cell Metabolism. 23 (4), 663-674 (2016).</li><li>Yamashita, H., Fukuda, K., Hattori, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hepatocyte-like+cells+derived+from+human+pluripotent+stem+cells+can+be+enriched+by+a+combination+of+mitochondrial+content+and+activated+leukocyte+cell+adhesion+molecule.">Hepatocyte-like cells derived from human pluripotent stem cells can be enriched by a combination of mitochondrial content and activated leukocyte cell adhesion molecule.</a> JMA journal. 2 (2), 174-183 (2019).</li><li>Shimojo, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid,+efficient+and+simple+motor+neuron+differentiation+from+human+pluripotent+stem+cells.">Rapid, efficient and simple motor neuron differentiation from human pluripotent stem cells.</a> Molecular Brain. 8 (1), 79 (2015).</li><li>Nishimoto, R., Kodama, C., Yamashita, H., Hattori, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+induced+pluripotent+stem+cell-derived+keratinocyte-like+cells+for+research+on+Protease-Activated+Receptor+2+in+nonhistaminergic+cascades+of+atopic+dermatitis.">Human induced pluripotent stem cell-derived keratinocyte-like cells for research on Protease-Activated Receptor 2 in nonhistaminergic cascades of atopic dermatitis.</a> The Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 384 (2), 248-253 (2023).</li><li>International Stem Cell Initiative. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Screening+ethnically+diverse+human+embryonic+stem+cells+identifies+a+chromosome+20+minimal+amplicon+conferring+growth+advantage.">Screening ethnically diverse human embryonic stem cells identifies a chromosome 20 minimal amplicon conferring growth advantage.</a> Nature Biotechnology. 29 (12), 1132-1144 (2011).</li><li>Keller, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Genetic+and+epigenetic+factors+which+modulate+differentiation+propensity+in+human+pluripotent+stem+cells.">Genetic and epigenetic factors which modulate differentiation propensity in human pluripotent stem cells.</a> Human Reproduction Update. 24 (2), 162-175 (2018).</li></ol>

프로토콜의 중요한 단계는 사용자가 오류를 발견하면 언제든지 취소, 중지 또는 재설정 버튼을 클릭하고 첫 번째 단계부터 다시 시작하는 것입니다. 이 소프트웨어는 이중 예약, 시스템 작업이 활성화된 동안 문 열기, 보충 부족 등 사람의 실수를 방지할 수 있습니다. 원하는 체세포에 대한 성공적이고 효율적인 분화를 위한 또 다른 임계점은 만능 줄기세포주의 적절한 선택인데, 그 이유는 각각?...

본 논문은 당사가 기업과 공동으로 제작한 인체유도만능줄기세포(iPSC)의 자동배양 시스템에 대한 실제적이고 상세한 취급 절차를 제공하고 대표적인 결과를 제시하고자 합니다.
2007년 논문이 발표된 이래 iPSC는 전 세계적으로 주목을 받고 있습니다1. 모든 종류의 체세포로 분화할 수 있는 가장 큰 특징으로 인해 재생의학, 난치성 질환의 원인 규명, 새로운 치료약 개발 등 다양한 분야에 적용될 것으로 기대된다 2,3. 또한 인간 iPSC 유래 체세포를 사용하면 상당한 윤리적 제한이 적용되는 동물 실험을 줄일 수 있습니다. iPSC를 이용한 새로운 분석법을 연구하기 위해서는 수많은 동종 iPSC가 지속적으로 필요하지만 이를 관리하는 것은 너무 힘들다. 더욱이 iPSC는 미묘한 문화적, 환경적 변화에도 민감하게 반응하기 때문에 취급이 어렵습니다.
이 문제를 해결하기 위해 자동화된 배양 시스템은 인간 대신 작업을 수행해야 합니다. 일부 그룹은 세포 유지 및 분화를 위해 몇 가지 자동화된 인간 만능 줄기 세포 배양 시스템을 개발했으며 그 성과를 발표했습니다 4,5,6. 이 시스템에는 다중 관절 로봇 팔이 장착되어 있습니다. 로봇 팔은 인간의 팔 움직임을 매우 모방한다는 점에서 장점이 있을 뿐만 아니라 팔에 더 높은 비용, 더 크고 무거운 시스템 패키징, 목표 동작을 얻기 위해 엔지니어의 시간 소모적인 교육 노력이 필요하다는 단점도 있습니다 7,8. 경제적, 공간적, 인적 자원 소비 측면에서 더 많은 연구 시설에 장치를 더 쉽게 도입할 수 있도록 iPSC를 다양한 세포 유형으로 유지 및 분화하기 위한 새로운 자동 배양 시스템을 개발했습니다9.
새로운 시스템에 대한 우리의 이론적 근거는 다관절 로봇 팔9 대신 X-Y-Z 축 레일 시스템을 채택하는 것이었습니다. 로봇 팔의 복잡한 손과 같은 기능을 대체하기 위해 우리는 이 시스템에 새로운 아이디어를 적용하여 세 가지 유형의 특정 기능 팔 팁을 자동으로 변경할 수 있습니다. 여기에서는 프로세스 전반에 걸쳐 엔지니어의 기여에 대한 요구 사항이 없기 때문에 사용자가 소프트웨어에서 간단한 주문으로 작업 일정을 쉽게 만들 수 있는 방법도 나타냅니다.
로봇 배양 시스템 중 하나는 분화를 위한 3D 세포 응집체로 96웰 플레이트를 사용하여 배아체를 만드는 것을 시연했습니다4. 여기에 보고된 시스템은 96웰 플레이트를 처리할 수 없습니다. 하나는 인간 만능 줄기 세포가 아니었지만 세포주를 사용하여 현재의 우수 제조 관리 기준(cGMP) 등급을 달성했습니다5. 여기에 자세히 설명된 자동 배양 시스템은 이제 실험실 실험을 돕기 위한 특정 목적으로 개발되었습니다(그림 1). 그러나 레벨 IV 안전 캐비닛과 동등한 수준의 청결을 유지하기에 충분한 시스템을 갖추고 있습니다.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.15% bovine serum albumin fraction V</td>
			<td>Fuji Film Wako Chemical Inc., Miyazaki, Japan</td>
			<td>9048-46-8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1% GlutaMAX</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>35050061</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10 cm plastic plates&#160;</td>
			<td>Corning Inc., NY, United States</td>
			<td>430167</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>253G1</td>
			<td>RKEN Bioresource Research Center</td>
			<td>HPS0002</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-mercaptoethanol</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>21985023</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Actinin&#160; mouse</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab9465</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Activin A&#160;</td>
			<td>Nacali Tesque</td>
			<td>18585-81</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adenine</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>A14906.30</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Albumin&#160; rabbit</td>
			<td>Dako</td>
			<td>A0001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>All-trans retinoic acid</td>
			<td>Fuji Film Wako Chemical Inc.&#160;</td>
			<td>186-01114</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Automated culture system</td>
			<td>Panasonic</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>B-27 supplement</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>17504044</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>bFGF</td>
			<td>Fuji Film Wako Chemical Inc.&#160;</td>
			<td>062-06661</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BMP4&#160;</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>PHC9531</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bovine serum albumin</td>
			<td>Merck</td>
			<td>810037</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CHIR-99021&#160;</td>
			<td>MCE, NJ, United States #HY-10182</td>
			<td>252917-06-9</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Defined Keratinocyte-SFM</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>10744019</td>
			<td>Human keratinocyte medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dexamethasone</td>
			<td>Merck</td>
			<td>266785</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dihexa&#160;</td>
			<td>TRC, Ontario, Canada</td>
			<td>13071-60-8</td>
			<td>rac-1,2-Dihexadecylglycerol</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable hemocytometer</td>
			<td>CountessTM Cell Counting Chamber Slides, Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>C10228</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dorsomorphin</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>1219168-18-9</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dulbecco&#8217;s modified Eagle medium/F12&#160;</td>
			<td>Fuji Film Wako Chemical Inc.</td>
			<td>12634010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EGF</td>
			<td>Fuji Film Wako Chemical Inc.&#160;</td>
			<td>053-07751</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Essential 8&#160;</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>A1517001</td>
			<td>Human pluripotent stem cell medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal bovine serum&#160;</td>
			<td>Biowest, FL, United States</td>
			<td>S140T</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FGF-basic&#160;</td>
			<td>Nacalai Tesque Inc.</td>
			<td>19155-07</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Forskolin</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>J63292.MF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glutamine</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>25030081</td>
			<td>Glutamine supplement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Goat IgG(H+L) AlexaFluo546</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>A11056</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HNF-4A&#160; goat</td>
			<td>Santacruz</td>
			<td>6556</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrocortisone</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>A16292.06</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrocortisone 21-hemisuccinate</td>
			<td>Merck</td>
			<td>H2882</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iMatrix511 Silk&#160;</td>
			<td>Nippi Inc., Tokyo, Japan</td>
			<td>892 021</td>
			<td>Cell culture matrix</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Insulin-transferrin-selenium</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>41400045</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Keratin 1&#160; mouse</td>
			<td>Santacruz</td>
			<td>376224</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Keratin 10&#160; rabbit</td>
			<td>BioLegend</td>
			<td>19054</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KMUR001</td>
			<td>Kansai Medical University&#160;</td>
			<td></td>
			<td>Patient-derived iPSCs&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Knockout serum replacement</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>10828010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L-ascorbic acid 2-phosphate&#160;</td>
			<td>A8960, Merck</td>
			<td>A8960</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Leibovitz&#8217;s L-15 medium&#160;</td>
			<td>Fuji Film Wako Chemical Inc.</td>
			<td>128-06075</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matrigel</td>
			<td>Corning Inc.</td>
			<td>354277</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mouse IgG(H+L) AlexaFluo488</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>A21202</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-2 supplement</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>17502048</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nestin mouse</td>
			<td>Santacruz</td>
			<td>23927</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neurobasal medium</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>21103049</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neurofilament&#160; rabbit</td>
			<td>Chemicon</td>
			<td>AB1987</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neutristem</td>
			<td>Sartrius AG, G&#246;ttingen, Germany</td>
			<td>05-100-1A</td>
			<td>cell culture medium&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oct 3/4&#160; mouse</td>
			<td>BD</td>
			<td>611202</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PBS(-)</td>
			<td>Nacalai Tesque Inc., Kyoto, Japan</td>
			<td>14249-24</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rabbit IgG(H+L) AlexaFluo488</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>A21206</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rabbit IgG(H+L) AlexaFluo546</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>A10040</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Recombinant human albumin&#160;</td>
			<td>A0237, Merck, Darmstadt, Germany</td>
			<td>A9731</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rho kinase inhibitor, Y-27632&#160;</td>
			<td>Sellec Inc., Tokyo, Japan</td>
			<td>129830-38-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RIKEN 2F</td>
			<td>RKEN Bioresource Research Center</td>
			<td>HPS0014</td>
			<td>undifferentiated hiPSCs&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RPMI 1640&#160;</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific #11875</td>
			<td>12633020</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SB431542</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>301836-41-9</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium L-ascorbate</td>
			<td>Merck</td>
			<td>A4034-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SSEA-4&#160; mouse</td>
			<td>Millipore</td>
			<td>MAB4304</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>StemFit AK02N&#160;</td>
			<td>Ajinomoto, Tokyo, Japan</td>
			<td>AK02</td>
			<td>cell culture medium&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TnT rabbit</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab92546</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TRA 1-81 mouse</td>
			<td>Millipore</td>
			<td>MAB4381</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triiodothyronine</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>H34068.06</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TripLETM express enzyme&#160;</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, United States</td>
			<td>12604013</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypan blue solution&#160;</td>
			<td>Nacalai Tesque, Kyoto, Japan</td>
			<td>20577-34</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tryptose phosphate broth</td>
			<td>Merck</td>
			<td>T8782-500G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wnt-C59&#160;</td>
			<td>Bio-techne, NB, United Kingdom</td>
			<td>5148</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#946;&#160;<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65672/65672eq01v2.jpg" style="margin: auto;" /> Tublin&#160; mouse</td>
			<td>Promega</td>
			<td>G712A</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an automated culture system for maintaining and differentiating human-induced pluripotent stem cells

무한 자가증식 능력을 가진 인간유도만능줄기세포(hiPSC)는 희귀질환 병리의 해명, 신약 개발, 손상된 장기의 복원을 목표로 하는 재생의학 등 다양한 분야에서 응용될 것으로 기대되고 있습니다. 그럼에도 불구하고 hiPSC의 사회적 구현은 여전히 제한적입니다. 이는 부분적으로는 고급 지식과 정교한 기술로도 미세한 환경 변화에 대한 iPSC의 높은 민감성으로 인해 배양에서 분화를 재현하기 어렵기 때문입니다. 자동 배양 시스템을 적용하면 이 문제를 해결할 수 있습니다. 연구자의 기술과 무관하게 재현성이 높은 실험은 여러 기관에서 공유하는 절차에 따라 기대할 수 있습니다. iPSC 배양을 유지하고 분화를 유도할 수 있는 여러 자동 배양 시스템이 이전에 개발되었지만, 이러한 시스템은 인간화된 다중 관절 로봇 팔을 사용하기 때문에 무겁고 크며 비용이 많이 듭니다. 위의 문제를 개선하기 위해 간단한 x-y-z 축 슬라이드 레일 시스템을 사용하여 더 작고 가벼우며 저렴하게 사용할 수 있는 새로운 시스템을 개발했습니다. 또한 사용자는 새로운 시스템에서 매개변수를 쉽게 수정하여 새로운 처리 작업을 개발할 수 있습니다. 작업이 설정되면 사용자는 iPSC를 준비하고, 원하는 작업에 필요한 시약 및 소모품을 미리 공급하고, 작업 번호를 선택하고, 시간을 지정하기만 하면 됩니다. 이 시스템은 공급세포가 없는 여러 통로를 통해 iPSC를 미분화 상태로 유지하고 심근세포, 간세포, 신경 전구세포, 각질형성 세포 등 다양한 세포 유형으로 분화할 수 있음을 확인했습니다. 이 시스템은 숙련된 연구원 없이도 기관 전반에 걸쳐 재현성이 높은 실험을 가능하게 할 것이며, 새로운 진입에 대한 장애물을 줄임으로써 더 넓은 범위의 연구 분야에서 hiPSC의 사회적 구현을 촉진할 것입니다.

This article aims to provide actual and detailed handling procedures for an automated culture system for human induced pluripotent stem cells (iPSC), which we produced by collaborating with a company, and to show representative results.
Since the publication of the article in 2007, iPSC has been attracting attention all over the world1. Due to its greatest feature of being able to differentiate into any type of somatic cell, it is expected to be applied in various fields such as regenerative medicine, elucidating the causes of intractable diseases, and developing new therapeutic drugs2,3. In addition, using human iPSC-derived somatic cells could reduce animal experiments, which are subject to significant ethical restrictions. Although numerous homogeneous iPSCs are constantly required to research new methods with iPSCs, it is too laborious to manage them. Moreover, handling iPSC is difficult because of its high sensitivity, even to subtle cultural and environmental changes.
To solve this problem, automated culture systems are expected to perform tasks instead of humans. Some groups have developed a few automated human pluripotent stem cell culture systems for cell maintenance and differentiation and published their achievements4,5,6. These systems equip multiarticulated robotic arm(s). Robotic arms have not only merit in that they highly mimic human arm movements but also demerit in that they require higher cost(s) for the arm(s), larger and heavier system packaging, and time-consuming education efforts by the engineers to obtain the aimed movements7,8. In order to make it easier to introduce the apparatus to more research facilities at the points of economic, space, and human resource consumption, we have developed a novel automated culture system for the maintenance and differentiation of iPSC into various cell types9.
Our rationale for the new system was to adopt an X-Y-Z axis rail system instead of multiarticulated robotic arms9. To replace the complex hand-like functions of robotic arms, we applied a new idea to this system, which can automatically change three types of specific functional arm tips. Here, we also indicate how users can easily make task schedules with simple orders on software because of the lack of requirements for engineers&#39; contributions throughout the process.
One of the robotic culture systems has demonstrated the making of embryoid bodies using 96-well plates as 3D cell aggregates for differentiation4. The system reported here cannot handle 96-well plates. One achieved the current good manufacturing practice (cGMP) grade using a cell line, although it was not a human pluripotent stem cell5. The automated culture system detailed here has now been developed with the specific aim of helping laboratory experiments (Figure 1). However, it has enough systems to keep clean levels equivalent to a level IV safety cabinet.

저자 스포트라이트: 재현성 향상을 위한 iPSC 문화 자동화 

인간 유도 만능 줄기 세포의 유지 및 분화를 위한 자동 배양 시스템

This study focuses on automating the culture of iPS cells. Our goal is to reduce the variability due to manual experimentations and human labor, by utilizing smaller and more affordable equipment, which leads to enhance the reproducibility, and provide opportunities for more researchers who are even unfamiliar with iPS cells. Several types of automated culture machines have emerged, but most of them are still large, costly, and can only perform partial tasks.The simpler structure of the working urn has reduced the size and cost of the equipment. In addition, the tasks from cell maintenance to differentiation induction can be performed automatically, with only prior material preparation, and task setting on software. Machine repetition is remarkably accurate compared to human repetition.The use of such machines not only improves repeat usability, but also reduce human labor. Furthermore, if the parameters in each protocol are shared, researchers unfamiliar with iPS cells will be able to achieve similar results as well-experienced researchers, making it possible for them to easily enter into research using iPS cells. We are exploring the possibility of incorporating an AI-based image judgment system to automate the selection of the next work schedule, setting date, and work content from the learning of the experiment results.We also anticipate that allowing researchers to tailor their working protocols to their preferences, and share them online, will not only enhance reproducibility among the world researchers, but also encourage global research collaboration.

인간 유도 만능 줄기 세포의 유지 3개의 hPSC 라인(RIKEN-2F, 253G1 및 KMUR001)을 사용했습니다. 매일 수동으로 수행하는 실험을 통해 유지 보수 프로토콜을 최적화하고 시스템에서 수행하는 7가지 예비 실험을 통해 세부 프로그램을 더욱 최적화했습니다. 예를 들어, 인간과 시스템이 취급하는 다른 피펫에서 나오는 스핏 흐름의 액체 속도로 인한 전단 응력은 상당히 다릅니다. 따라서 효소...

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여기서는 자동화된 세포 배양 시스템을 위한 프로토콜을 제시합니다. 이 자동 배양 시스템은 iPS 세포의 유지에서 다양한 유형의 세포로의 분화에 이르기까지 유도만능줄기세포(iPS) 세포 취급에 익숙하지 않은 연구자를 포함하여 노동력을 줄이고 사용자에게 이점을 제공합니다.

Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) with infinite self-proliferating ability have been expected to have applications in numerous fields, ...

이 연구는 iPS 세포의 배양을 자동화하는 데 중점을 둡니다. 우리의 목표는 더 작고 저렴한 장비를 사용하여 수작업 실험과 인간 노동으로 인한 변동성을 줄여 재현성을 높이고 iPS 세포에 익숙하지 않은 더 많은 연구자에게 기회를 제공하는 것입니다. 여러 유형의 자동화된 배양 기계가 등장했지만 대부분은 여전히 크고 비용이 많이 들며 부분적인 작업만 수행할 수 있습니다.작업 항아리의 구조가 더 단순하여 장비의 크기와 비용이 줄었습니다. 또한 세포 유지 관리에서 분화 유도에 이르는 작업을 사전 재료 준비 및 소프트웨어의 작업 설정만으로 자동으로 수행할 수 있습니다. 기계의 반복은 인간의 반복에 비해 놀라울 정도로 정확합니다.이러한 기계를 사용하면 반복 사용성이 향상될 뿐만 아니라 인간의 노동력도 줄어듭니다. 또한, 각 프로토콜의 파라미터를 공유하면 iPS 세포에 익숙하지 않은 연구자도 경험이 풍부한 연구자와 유사한 결과를 얻을 수 있으므로 iPS 세포를 사용하여 쉽게 연구에 들어갈 수 있습니다. AI 기반의 이미지 판별 시스템을 도입하여 실험 결과 학습에서 다음 작업 일정, 설정 날짜, 작업 내용의 선택을 자동화하는 가능성을 모색하고 있습니다.또한 연구자들이 자신의 작업 프로토콜을 자신의 선호도에 맞게 조정하고 온라인으로 공유할 수 있도록 함으로써 전 세계 연구자들 간의 재현성을 향상시킬 뿐만 아니라 글로벌 연구 협력을 장려할 것으로 기대합니다.

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Research

JoVE Journal

Developmental Biology

An Automated Culture System for Maintaining and Differentiating Human-Induced Pluripotent Stem Cells

Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) with infinite self-proliferating ability have been expected to have applications in numerous fields, including the elucidation of rare disease pathologies, the development of new medicines, and regenerative medicine aiming to restore damaged organs. Despite this, the social implementation of hiPSCs is still limited. This is partly because of the difficulty of reproducing differentiation in culture, even with advanced knowledge and sophisticated technical skills, due to the high sensitivity of iPSCs to minute environmental changes. The application of an automated culture system can solve this issue. Experiments with high reproducibility independent of a researcher's skill can be expected according to a shared procedure across various institutes. Although several automated culture systems that can maintain iPSC cultures and induce differentiation have been developed previously, these systems are heavy, large, and costly because they make use of humanized, multi-articulated robotic arms. To improve on the above issues, we developed a new system using a simple x-y-z axis slide rail system, allowing it to be more compact, lighter, and cheaper. Furthermore, the user can easily modify parameters in the new system to develop new handling tasks. Once a task is established, all the user needs to do is prepare the iPSC, supply the reagents and consumables needed for the desired task in advance, select the task number, and specify the time. We confirmed that the system could maintain iPSCs in an undifferentiated state through several passages without feeder cells and differentiate into various cell types, including cardiomyocytes, hepatocytes, neural progenitors, and keratinocytes. The system will enable highly reproducible experiments across institutions without the need for skilled researchers and will facilitate the social implementation of hiPSCs in a wider range of research fields by diminishing the obstacles for new entries.

Here, we present a protocol for an automated cell culture system. This automated culture system reduces labor and benefits the users, including researchers unfamiliar with handling induced pluripotent stem (iPS) cells, from the maintenance of iPS cells to differentiation into various types of cells.