Magnetic levitation of cells from bone marrow origin

Abstract

Magnetic levitation via negative magnetophoresis is a new label-free technology that is important in cell- and tissue-level bioengineering applications. Biofabrication applications of the technology is an area that still needs to be developed. In this doctoral thesis, 3D cellular structures with contrable size and cellular arrangement were formed and cultured with magnetic levitation using bone marrow-derived stem cells in both a miniature system that provides levitation between two magnets and a ring magnet-based large-scale system. First, a miniaturized magnetic levitation system that allows real-time imaging was produced and comprehensive protocols were described for its use for both single-cell level analysis and cell culture. With this setup, complex in situ 3D cellular aggregates were formed and their culture was maintained by levitation. Then, a new system that provides levitation on a single ring magnet was produced and used for biofabrication for the first time to overcome the reservoir volume constraint in the existing system and thus to create larger and symmetrical 3D cellular clusters. With the elimination of the upper limit in the system, the volume of the chamber was increased and the medium and biological structure transfer became easily applicable. It has been shown that this ring magnet-based magnetic levitation setup is suitable for cell culture, formation of millimeter-sized cellular structures with various cell types, and that pre- formed cellular structures can be combined by levitation. The low-cost and easy-to-use systems presented in this thesis have the potential to be applied in many areas such as tissue engineering and drug testing.

Negatif manyetoforez aracılığıyla manyetik levitasyon canlı hücrelerin işaretlenmeksizin levitasyonunu sağlayabilen, hücre ve doku seviyesinde biyomühendislik uygulamaları için önem arzeden yeni bir teknolojidir. Bu teknolojinin biyofabrikasyon uygulamaları henüz geliştirilmeye ihtiyaç duyan bir alandır. Bu doktora tezinde, hem iki mıknatıs arasında levitasyon sağlayan minyatür bir sistemde hem de halka mıknatıs tabanlı büyük ölçek bir sistemde manyetik levitasyon ile kemik iliği kökenli kök hücreler kullanılarak boyutu ve hücresel düzeni kontrol edilebilen 3 boyutlu (3B) hücresel yapılar oluşturulmuş ve levitasyon ile kültürlenmiştir. Önce, gerçek zamanlı görüntülemeye izin veren minyatürize manyetik levitasyon sistemi üretilmiş ve hem tek hücre seviyesinde analiz hem de hücre kültürü için kullanımı amacıyla detaylı protokoller tanımlanmıştır. Bu minyatürize manyetik levitasyon düzeneği ile karmaşık in situ 3B hücresel kümelenmeler oluşturulmuş ve kültürleri levitasyon ile sürdürülmüştür. Ardından, mevcut sistemdeki rezervuar hacmi kısıtını aşabilmek ve dolayısıyla daha büyük ve simetrik 3B hücresel kümeler oluşturabilmek için tek bir halka mıknatıs üzerinde levitasyon sağlayan yeni bir mıknatıs düzeneği oluşturulmuş ve bu düzenek ilk kez biyofabrikasyon amacıyla kullanılmıştır. Levitasyon sistemindeki üst sınırın ortadan kaldırılması ile besiyeri haznesinin hacmi arttırılmış ve besiyeri ve biyolojik yapı aktarımı kolaylıkla uygulanabilir hale getirilmiştir. Bu halka mıknatıs tabanlı manyetik levitasyon düzeneğinin hücre kültürü için uygun olduğu, çeşitli hücre tipleri ile milimetre boyutunda hücresel yapılar oluşturulabileceği ve ayrı ayrı oluşturulmuş hücresel yapıların levitasyon aracılığı ile birleştirilebileceği gösterilmiştir. Bu tezde sunulan düşük maliyetli ve kullanımı kolay sistemler doku mühendisliği ve ilaç testi gibi birçok alanda uygulanabilme potansiyeli taşımaktadır.