Interview: Bioreaktoren und Aufgetaucht-Modified 3D-Gerüste für Stammzellforschung

Mein Name ist Karlan Und ich arbeite als Biophysiker am Institut für Biologische Grenzflächen. Am Cal Screw Institute of Technology entwickeln wir Bioreaktoren und oberflächenmodifizierte dreidimensionale Gerüste für die Kultivierung von funktionellen Geweben und für die Stammzellforschung, wir interessieren uns vor allem für die Interaktion von Zellen mit ihrer künstlichen Umgebung. Ein Nature-Leitartikel aus dem Jahr 2003 stellte die Frage der flachen Biologie, und die Frage ist, was bedeutet das?

In der Vergangenheit litten viele in vitro Kultursysteme, hauptsächlich Monolayer-Kulturen, unter dem Nachteil, dass z.B. differenzierte Primärzellen eine relativ kurze Lebensdauer hatten und während der Kultur dedifferenziert wurden. Das bedeutet, dass sie die meisten ihrer organspezifischen Funktionen sehr schnell verloren haben. Um bessere Bedingungen für diese Zellen in vitro zu reproduzieren, wurden daher viele verschiedene Modifikationen und Anpassungen in konventionellen Monolayer-Kulturen vorgenommen.

Und dazu gehören die Zusammensetzung des Nährmediums und die Herstellung von Beschichtungen von Kulturgefäßen, in denen die Zellen überwiegend Monoschichten bilden. Und all diese Ansätze zeigen, wie wichtig sowohl die Zellmatrix-Interaktionen als auch die Zell-zu-Zell-Kommunikation sind. Ein weiterer wichtiger Aspekt scheint die Etablierung zellspezifischer Kontexte zu sein, die z.B. durch Gap Junctional Komplexe realisiert werden, die für viele Zellen in vivo charakteristisch sind.

In herkömmlichen Monolayer-Kulturen geht die Gap-Junctional-Kommunikation schnell verloren. Lange Zeit. Es ist möglich, in vitro mit Hilfe der sogenannten Steroidtechnik eine gewebeähnliche Anordnung der Zellen einigermaßen wiederherzustellen.

Ein Beispiel aus unserem Labor war, dass wir zeigen konnten, dass auch adulte ru-Hepatozyten in der Lage sind, Steroide zu bilden und in diesen Aggregaten mindestens Wochen lebensfähig bleiben. Hepatozyten bleiben in engem Kontakt zueinander, was die zelluläre Kommunikation fördert, was zu einer Stabilisierung der hepatozytenspezifischen Funktionen führt. Wir haben aber auch festgestellt, dass diese konventionelle dreidimensionale Kulturtechnik mehrere Nachteile hat.

Die Gesamtgröße ist entscheidend. Sie könnten bei großen Aggregatdurchmessern eine Nekrose induzieren, und in den meisten Fällen ist das Verhältnis von mittlerem Volumen zu Zellen ungeeignet. Auch Scherkräfte und Spinnerkulturen können problematisch sein.

Organe und Gewebe in lebenden Organismen zeichnen sich unter anderem durch sehr hohe Zelldichten aus, auch der gerichtete aktive Transport von Substanzen durch diese Gewebeschichten ist ein wichtiges Merkmal. Daher sollten realistische organotypische in vitro Gewebemodelle diese natürliche Architektur am ehesten nachbilden. Und eine wesentliche Determinante für die Begrenzung solcher Systeme ist das geeignete Verhältnis von Medium zu Zellvolumen.

Ich habe bereits erwähnt, dass wir ein geeignetes Zellgehäuse entworfen haben, das als präzise mikrostrukturiertes Polymergerüst geformt ist und einen gleichmäßig großen Behälter für die dreidimensionale Kultur von Zellaggregaten bietet. Für das Polymergerüst verwenden wir bevorzugt PMMA oder PC Polyether, Ate oder Polycarbonat. Und diese besteht aus einer mikrostrukturierten Plantarvorrichtung von einem Quadratzentimeter, die eine dichte Anordnung von mehr als 1000 dieser Behälter bietet.

Für die dreidimensionale Kultur von Zellaggregaten hat sich gezeigt, dass es für die 3D-Zellkultur über mehrere Wochen geeignet ist. Und jeder dieser kleinen kubischen Behälter im Array hat eine Kantenlänge von etwa 300 Mikrometern. Das besondere Design dieses Gerüsts und der Peripherie, d.h. der Brutkammer.

Die EKTOR-, Medium- und Gasversorgung ermöglicht unterschiedliche Arten der Medienzufuhr. Erste Superfusion. Das bedeutet, dass beide Seiten des Gewebes getrennt durch das Nährmedium und in zweiter Linie durch die Durchblutung versorgt werden.

Das bedeutet, dass die mittlere Strömung gezwungen wird, in die Gewebeschicht einzudringen. Der Perfusionsmodus kann verwendet werden, um Bedingungen zu schaffen, die die in vivo Vaskularisation besser nachahmen, aber auch ein gemischter Modus aus Perfusion und Superfusion ist möglich. Es wurden verschiedene Generationen von Zellschiffen entwickelt.

Jede Generation kann mit einem bestimmten Design verwendet werden, um den Anforderungen jeder speziellen Anwendung gerecht zu werden. So wurden beispielsweise Entwürfe von Einzel- und Doppelschiff-Bioreaktoren sowie getrennt adressierbare Multititeranordnungen oder hochparallele Varianz gebaut. Als hochskalierte Versionen für die letzte Generation dieser verschiedenen Formen, den sogenannten Mikro-Tiefziehbehältern, wurde eine bestimmte Technologie entwickelt, die die zusätzliche Möglichkeit bietet, die gesamte Oberfläche dieser 3D-geformten Behälter zu modifizieren, hiermit ist sogar eine Oberflächenstrukturierung und eine Submikron-Skala mit Signalmolekülen möglich.

Auch Sensoren und Signalelektroden können eingebunden werden. Die Anwendungen reichen von der Grundlagenforschung und Zellbiologie über Toxikologie und Pharmakologie bis hin zu möglichst Hochdurchsatz-Screenings. Ein ganz wichtiger Punkt am Ende ist die Tatsache, dass die letzte Generation unserer Mikro-Thermoform-Chips optimiert wurde, um Prozesse für eine günstige Massenproduktion und damit für den Einsatz in anderen Laboren zu ermöglichen.