Thema:

Expertenpanel

Stammzelltechniken

Trotz ihres großen medizinischen Potentials ist die standardisierte Handhabung von Stammzellen nicht trivial. Durch Oberflächenbeschichtung von Polystyren-Platten gelang es Forschern des Fraunhofer-IGB jetzt, mesenchymale Stammzellen besser zu vermehren (Biotechnology Journal). Zugleich berichteten Mediziner um Manfred Köller über eine verbesserte Delivery-Strategie für autologe Stammzellen (Langenbeck's Archives of Surgery).

Claudia Kleinhans

LABORWELT:

Wie lässt sich das Wachstumsverhalten von Stammzellen durch Modifikation der Oberfläche von Kulturgefäßen positiv beeinflussen?

Kleinhans:

Neuartige Therapieformen wie das Tissue Engineering und die Zelltherapie nehmen in der Medizin eine zunehmend wichtigere Rolle ein. So wurden bereits über 323.000 Patienten bis zum Jahre 2010 auf Basis dieser Methoden behandelt. Eine große Herausforderung dabei ist die effiziente Expansion von Zellen in vitro. Neben Zellkulturmedien und Wachstumsfaktoren kommt vor allem auch der Oberfläche der verwendeten Kulturgefäße eine entscheidende Bedeutung zu, denn jeder Zelltyp ist in vivo von einer charakteristischen extrazellulären Matrix umgeben.

Zielführend wäre eine zelltypspezifische Oberflächenmodifikation, die eine Selektion des gewünschten Zelltyps ermöglicht sowie die Vermehrung der Zellen steuert. In der Praxis wird jedoch für alle Zellarten meist das gleiche Substrat für die in vitro-Expansion verwendet. Zwar gibt es Möglichkeiten zur Verbesserung der Substrateigenschaften wie die Beschichtung der Zellkulturgefäße mit extrazellulären Matrixproteinen wie Kollagen oder Fibronectin, jedoch sind diese komplexen, manuellen Verfahren mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden. Ferner ist eine Skalierung dieser Methoden zur Herstellung großer Chargen schwer durchzuführen.

Dagegen ist die Behandlung von Zellkulturgefäßen mit Niederdruckplasma bereits in die Produktion von Zellkulturgefäßen integriert. Allerdings wird das Potential der Methode noch nicht vollständig genutzt. Über die Wahl des eingesetzten Gases können Oberflächenfunktionalitäten gezielt festgelegt werden. Der Prozess beruht auf der partiellen Ionisierung eines Gases bei gleichzeitiger Entstehung von Radikalen, die mit der Materialoberfläche reagieren. Bei Niederdruckplasma können neben Ätzprozessen zwei unterschiedliche Arten von Oberflächenveränderungen realisiert werden: die Funktionalisierung der Oberfläche mit molekularen Monolagen sowie die Beschichtung mit dünnen Filmen. Abhängig vom verwendeten Gas und unter Anpassung der Reaktionsbedingungen lässt sich eine definierte chemische Funktionalisierung der Oberfläche erzeugen, die zelltypspezifisch variiert werden kann. Dies ermöglicht das Wachstumsverhalten von Zellen zu beeinflussen, so werden beispielsweise Adhäsion und Ausspreiten der Zellen beschleunigt. Unsere Studien zeigten, dass sich eine Funktionalisierung mit Ammoniak-Plasma besonders gut zur Kultivierung von humanen mesenchymalen Stammzellen eignet.   

Dr. Claudia Kleinhans 
forscht derzeit in der Gruppe von Prof. Dr. Heike Walles in der Abt. Zellsysteme am Fraunhofer-IGB in Stuttgart

Manfred Köller

LABORWELT:

Wie lassen sich die Bedingungen für das Delivery multipotenter Stammzellen optimieren?

Köller:

Bei chirurgischen Verfahren in Kombination mit einer regenerativen Zelltherapie bieten sich verschiedene Möglichkeiten als Zellträgersysteme an, die sich dann auch nach dem betreffendem Zielgewebe orientieren. So kann man zum Beispiel bei der Versorgung kritischer Frakturen mesenchymale multipotente Stromazellen (mesenchymale Stammzellen) in Kombination mit bestimmten Knochenersatzmaterialien (Calciumphosphat-Biomaterialien) einsetzen. 

Eine mögliche Strategie ist es, zur Fixierung von derartigen Stammzellen autologes Blutplasma zu verwenden und so eine Gelee-artige, aber feste Matrix herzustellen, die vom Chirurgen einfach zu handhaben ist und die physiologisch nach der Transplantation auch wieder abgebaut wird. Die Verwendung derartiger autologer Plasmaclots als Trägermaterial ist klinisch ideal, weil ausschließlich autologes Gewebe eingesetzt werden kann und allogene oder xenogene Zusätze, wie sie bei kommerziellen Fibrinmatrices vorkommen, nicht nötig sind. Prinzipiell ist die Herstellung einer derartigen Matrix einfach: Nach Zentrifugation von Citrat-Blut und anschließender Zugabe der gewünschten Stammzellen sowie von Calcium koaguliert das Plasma innerhalb von 15 Minuten. Das Plasma kann zum Beispiel mit physiologischer Kochsalzlösung auch verdünnt werden, um die Porengröße im Fibrin­netzwerk zu vergrößern. Die eingebetteten Zellen bleiben nach Fibrinpolymerisierung zum größten Teil vital und können im Plasmaclot auch proliferieren und gegebenenfalls differenzieren. Experimentell haben wir gute Ergebnisse hinsichtlich Festigkeit, Zellviabilität und Koagulationszeit erzielen können, wenn wir das Citratplasma 1:1 verdünnt haben und 4 bis 6 Volumenprozent (bezogen auf das Plasma) einer 10%igen-Calciumchloridlösung zum Starten der Fibrinpolymerisierung eingesetzt haben. Insbesondere hinsichtlich der heutigen strengen regulativen Vorgaben bei einer klinischen Anwendung von Stammzellpräparationen ist die Verwendung einer autologen Plasmamatrix eine geeignete Alternative zu anderen vergleichbaren Trägersystemen.

Prof. Dr. Manfred Köller 
ist Leiter der Chirurgischen Forschung am Berufsgenossenschaftlichen Universitätsklinikum Bergmannsheil Bochum

Mehr zum Spezial

© 2007-2017 BIOCOM

http://www.laborwelt.de/spezialthemen/stammzellen/bioinformatik.html

Alle Themen

SpezialThemen

Produkt der Woche

Alle Produkte

Kalender

Alle Events

Partner-Events

Glasgow (UK)

DIA BioVenture Day

Istanbul (TR)

expomed eurasia