Three-dimensional organoid culture using the CellRaft microwell technology

Cell Microsystems, Inc., Durham NC

Investigators

Abstract

Project Summary      Organoids are mini-­??tissue structures that are revolutionizing in vitro studies due to the fact that they are  derived from normal or diseased tissues from human donors, induced pluripotent stem cells (iPSCs), and nearly  every  model  organism.  The  use  of  organoids  in  disease  modeling  has  become  a  powerful  method  to  replicate  pathophysiology  using straightforward  cell  culture  conditions.   Virtually  every  tissue  type  now  has  an  in  vitro  organoid  correlate.  As  the name  implies,  organoids  are  representations  of  tissue  layers  (typically  epithelium)  that have a specific function in an organism. They are typically spherical, and are stem cell driven, given them  potential to produce all the differentiated cell types found in any given tissue. This has led to inaccurate results,  failure  in  predicting  drug  efficacy,  and  loss  of  millions  of  dollars  and  man  hours  following  lines  of  research  based on artifact. Challenges associated with rapidly establishing organoid cultures are largely associated with  initiating  a  clonal  colony  from  a single  cell,  tracking  colony growth  and  inducing  differentiation  processes.   In  addition,  systems  supporting  organoid  culture  must  allow  time-­??course  based  analysis  of  physiological  phenotypes.    Cell  Microsystems  has  developed  the  CellRaft  Technology,  a  microwell  array-­??based  platform  where  single  cells  can  be  seeded  in  small  culture  chambers,  grown  into  clonal  colonies  and  tracked  over  time  using virtually any imaging modality. These capabilities have shown initial promise in addressing many of the  challenges associated with organoid culture.  Scott Magness, PhD of the University of North Carolina at Chapel  Hill  has  published  methods  using  CellRaft  Arrays  for  establishing,  growing  and  analyzing  organoids  derived  from  various  enteric  stem  cells.    The  research  proposed  here  builds  on  both  innovative  array  designs  and  materials by Cell Microsystems, as well as the workflows established by Dr. Magness. Under this collaborative  project, we will develop a novel CellRaft Array, the 3D-­??CytoSort Array, with larger microwells than are currently  manufactured (500 microns and 1 millimeter square) with greater depth (300 microns instead of the standard 80  microns) to facilitate the growth, differentiation and analysis of various types of organoid. These arrays will be  validated  for  use  with  Cell  Microsystems  AIR?  System,  an  automated  platform  for  the  imaging,  sorting  and  isolation  of  cells  or  colonies  from  the  CellRaft  Array.    This  instrument  will  allow  not  only  the  imaging  of  organoids  for  temporal  analysis,  but  also  isolation  of  organoids  for  downstream  molecular  analysis  via  next  generation  sequencing  or  other  molecular  analysis  modality.    Dr.  Magness?  team  will  translate  their  current  organoid  culture  methods  to  the  new,  larger  3D-­??CellRaft  Array.    Successful  recapitulation  of  their  previously  published  data  using  the  new  array  and  the  AIR?  System  will  serve  as  an  initial  validation  of  the  product?s  performance  as  a  platform  for  broad  organoid  culture  methods.  Pending  completion  of  the  Specific  Aims  proposed here, a Phase II project will be proposed that will expand the range of organoid types with the goal of  expanding the utility of the AIR System software for organoid-­??specific analysis.