Neue Aufgaben und Wege in der Zellkultur

Ausgehend von dem Beitrag „Kann ich mein Herz im 3D-Drucker drucken? | Bioprinting für Organspenden | Breaking Lab“, das als Video auf Youtube verfügbar ist, stellen sich Fragen der Realisierung, der Risiken und des Aufwandes.

 

Der Beitrag beschreibt einige Aspekte – und lässt viele wesentliche aus. Er gibt aber Hinweise auf aktuelle Schwerpunkte von Forschung im Bereich regenerativer Medizin. Organe sind dreidimensionale Gebilde in denen Zellen eine Orientierung / Polarität besitzen und spezifischen Stimuli ausgesetzt sind.

Biodruck benötigt geeignete Hydrogele, welche die extrazelluläre Matrix – also das natürliche Gerüst, an das sich Zellen anheften können – nachbilden. Versuche haben gezeigt, dass Stammzellen bestimmter Entwicklungsstufen in der Lage sind dreidimensionale Gebilde aus Gerüstsubstanz neu zu besiedeln und sich so zu differenzieren, dass funktionelle Organe entstehen.

In seinem TED-Vortrag stellt Anthony Atala seinen Ansatz zur Herstellung einer menschlichen Niere im 3D-Biodruckverfahren vor.

Printing a human kidney – Anthony Atala

3Dnatives veröffentlichten eine Beitrag 3D-Biodruck: Menschliche Organe aus dem 3D-Drucker?   Der Beitrag wurde im November 2019 von Lukas Johannes B. veröffentlicht. In den meisten Fällen werden zusätzlich zur Gerüstsubstanz auch Zellen gedruckt. In 1 Gramm Bäckerhefe sind mehr als 10 Milliarden Zellen enthalten. Organe sind selten eine massive Zellmasse und eine Annahme, dass ein Organe unter Umständen nur zu 5 % aus Zellmasse besteht mag vernünftig sein. Selbst kleine Organe benötigen somit eine erhebliche Zellzahl. Sollen patienteneigene Zellen für die Herstellung eines speziellen Organs verwendet werden, so müssen diese zunächst gewonnen, vermehrt und in einen Zustand gebracht werden, dass sie im biogedruckten Organ die „richtige“ Funktion übernehmen können. Die Entwicklung von Methoden zur Induktion pluripotenter Stammzellen (iPS-Zellen) gibt Aussicht auf einen Zelltyp, der durch seine Differenzierungsmöglichkeiten eine ausreichendes Potenzial mitbringt. Die genomische Stabilität der reprogrammierten Zellen ist möglicherweise begrenzt. Möglicherweise beeinflusst das gewählte Verfahren zu Induktion der pluripotenten Stammzellen deren genomische Stabilität. Keine Aussagen finden sich jedoch zu Stabilität und Alterung von Mitochondrien.

Das Kultivieren und Passagieren von suspendierten pluripotenten Stammzellen unterscheidet sich von der Handhabung adhaerent oder in Suspension wachsender Zellen. Um sie zu vermehren bedarf es angepasster Techniken. Einen kurzen Überblick geben die folgenden Videos. Die Namen von Herstellern und Vertreibern, wie sie in den Videos genannte / gezeigt werden, ist irrelevant. Entscheidend ist die Anpassung der Arbeitstechnik.

How to culture pluripotent stem cells in suspension: Initiation of PSC cultures in suspension

How to culture pluripotent stem cells in suspension: Maintenance and Feeding of PSC cultures

Aus Zellen mit fibroblastischer Charakteristik werden in Suspension wachsende Sphäroide mit einem Durchmesser von beachtlichen 400 µm. Größere Sphären bedingen Probleme mit der Nährstoff- und Sauerstoffversorgung, weshalb in größeren Sphären nekrotische Zellen in der Mitte beobachtet werden. Für Außenstehende ergeben sich im Vergleich zu den Videos des ECACC einige signifikante Unterschiede in der Handhabung.

  1. Muss eine Reinraumwerkbank in dieser Weise gefüllt sein, wenn in ihr gearbeitet wird?
  2. Wie ist die Auswirkung eines hohen Pipettenständers mit Blick auf mögliche Keimverschleppung in einer Reinraumwerkbank mit vertikalem Luftstrom zu sehen?
  3. Wie ist das intensive Pipettieren zu beurteilen, mit dem ein Zellsediment nach Enzymbehandlung in Suspension gebracht wird?

Sollen große Mengen von Zellen erzeugt werden, sind andere Techniken zur Kultur von Zellen möglicherweise deutlich zu bevorzugen. Ein einfaches Verfahren ist die Verwendung von Sgestapelten Inkubationsflächen.

Diese Form der Inkubation lehnt sich stark an das traditionelle Verfahren der Inkubation von Zellen in Zellkulturflaschen an. Auch die klassische Spinner-Flasche oder der Bioreaktor stehen für die Produktion größer Zellmengen zur Verfügung. Im Gegensatz zu Kultur in Petrischalen oder den kleineren Flaschen beschränken diese Verfahren die visuelle Kontrolle der Zellen. Sind regelmäßige Eingriffe wie beispielsweise das Dispergieren der Sphären erforderlich schließt dies einige Verfahren der Massenkultur aus.

Die Kultur von Zellen zu Embryoiden im hängenden Tropfen zeigt Ana Mandujano in ihrem Video.

Der „hängende Tropfen“ ist eine auch in der Mikrobiologie bekannte Methoden. Offensichtlich ist sterile Zellkultur auch unter den gezeigten Bedingungen möglich.