Thema:

Technologietransfer

Zelltechnik-Innovationen für die Industrie

Ob Stammzelltechnologie, Zelltracking, Herstellung von Biomaterialien, Aquakultur, Inkubatoren oder zellbasierte Systeme zur Arzneimitteltestung - die neugegründete Deutsche Gesellschaft Industrielle Zelltechnik e. V. will das Know-how von Forschern und Unternehmen bündeln, um innovative Plattformtechnologien der Zelltechnik in die Anwendung zu überführen.

Im Vordergrund stehen dabei die Translation komplexer 3D-Zellkultursysteme, Analysetechnologien, die Herstellung von Instrumenten und Materialien (z.B. Biomimetika/intelligente Scaffolds) für biomedizinische, medizintechnische und lebensmitteltechnologische Anwendungen. Die interdisziplinäre Vernetzung und Zusammenarbeit der Akteure, gemeinsame Veranstaltungen, die Förderung des Fachkräfte-Nachwuchses und eine internationale verbesserte Wettbewebsfähigkeit bei biomedizinischen Innovationen sind erklärte Ziele der auf dem 2. Kongress "Industrielle Zelltechnik" Anfang September in Lübeck ins Leben gerufenen Interessenvertretung. Unter den zehn Gründungsmitgliedern (vgl. Foto) der administrativ von der Norddeutschen Life Science Agentur Norgenta geführten Gesellschaft befindet sich auch der Biotechnologie-Unternehmensverband BIO Deutschland. Dieser wird die fachpolitischen Interessen der beteiligten Forscher und Firmen übernehmen. In diesem Beitrag werden exemplarisch einige der an der Fraunhofer-EMB entwickelten und auf dem Kongress präsentierten Innovationen vorgestellt.

Besonders das Feld der Stammzellkultur und -differenzierung könnte vom Verfahren der optischen Zeitraffermikroskopie profitieren, das durch eine am Fraunhofer-EMB entwickelte Software nun erstmals die automatisierte mikroskopische Überwachung in vitro kultivierter Einzelzellen gestattet. In Abständen von 1-15 Minuten werden dabei die Zellen während des Wachstums in der Kulturschale mit einem automatisierten Mikroskop aufgenommen, das durch aktive Fokusnachführung so stabil ist, dass es zuverlässige Zellbeobachtungen über viele Tage erlaubt. Bisherige Analysen der Bilderfolgen erforderten stets die manuelle Überwachung der Zellen mit Auge und Hand, was einen enormen Aufwand bedeutet und keine durchgängige Zuverlässigkeit garantiert. An der Fraunhofer-EMB konnten Wissenschaftler das Zelltracking mittels einer Software nun vollständig automatisieren: Eine systematische Fehlersuche überprüft dabei die Trackingresultate und nur vertrauenswürdige Ergebnisse werden an den Experimentator weitergereicht. Aus diesen lassen sich statistisch signifikante Parameter und Merkmalsbündel (sog. Deskriptoren) berechnen, die die eindeutige Identifikation und Qualitätskontrolle von Zellpopulationen eröffnen.

Das Verfahren ermöglicht Aussagen zu Lebenszeitverteilungen, Teilungssymmetrie, Migrations- und Wachstumsverhalten, den inneren Zellbewegungen und Zellformen sowie das automatische Auffinden von proliferativen "hot spots". Unlängst berichteten Becker et al.1 über die Nutzung der Zelltracking-Software zur automatischen Detektion teilungsaktiver, kultivierter, adulter Stammzellen durch das "Tracking" morphologischer Veränderungen..

Kokultivierungstechnologie

Aus Stammzellen differenzierte Zelltypen versprechen langfristig einen Einsatz in der regenerativen Medizin, kurzfristiger aber als Zellmodelle, zum Beispiel in der Arzneimittelforschung. Allerdings sind heute geläufige Kultivierungsverfahren auf Basis der sequentiellen Zugabe von Wachstumsfaktoren und Zytokinen zum Kulturmedium mit hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Ein von der EMB-Arbeitsgruppe "Zelldifferenzierung" entwickeltes Verfahren (Petschnik et al.)2 setzt stattdessen auf die Kokultur humaner Stammzellen mit lebenden Biopsien aus Säugergewebe. Die von diesen Geweben ausgeschütteten Faktoren induzieren dabei die Differenzierung in das entsprechende Zielgewebe. Mit einem indirekten Kokultursystem, gelang bereits eine neurale Differenzierung. Zwei Tage nach indirekter Kokultur von humanen Stammzellpopulationen aus Haut oder Pankreas mit Gewebebiopsien aus Rattenhirn betrug die Ausbeute an Zellen mit Nervenzellmorphologie und -markern 12%.

Zellcoating schützt Neuroprothesen

Eine große Herausforderung bei der Implantation sogenannter Hirnschrittmacher zur Therapie psychomotorischer Bewegungsstörungen wie Parkinson und psychischen Erkrankungen wie schweren Depressionen ist die dauerhafte Integration impulsgebender Elektroden im Gehirn. Infolge kleinster Verletzung bei Einführen starrer Elektroden kommt es zu einer Aktivierung der immunologisch aktiven Mikrogliazellen und Astrozyten, die das Einwachsen des Implantats in das Hirngewebe stören. Aktuelle Arbeiten deuten auf den Nutzen flexibler, mit körpereigenen Stammzellen und Hydrogel beschichteten Elektroden zur Tiefenhirnstimulation hin. Ziel dabei ist es, die Immunreaktion durch die in-vivo-Differenzierung der Stammzellen in körpereigene Nervenzellen zu minimieren und damit die Biokompatibilität und Gewebeintegration der Elektrode zu verbessern. Richter et al.3 setzten dazu flexible Elektroden ein, deren Elektrodenmaterial außer an den Stimulationspunkten, von einer Polyimidhülle umgeben ist. Auf dem Kunststoffmantel immobilisierten sie glanduläre Stammzellen aus Acinuszellen des Pankreas. Erste Tests zeigen, dass die Stammzellen ihre Differenzierungsfähigkeit auch nach Immobilisierung behielten. Zudem konnte demonstriert werden, dass das Aufbringen eines Hydrogels auf die Zellen, der Zellabrasion bei Einführen der Elektroden wirksam entgegenwirkt. In derzeit laufenden Untersuchungen konnte belegt werden, dass die Schutzschicht weder die Zellmigration noch die Zellteilung beeinträchtigt. Tierversuche sollen bisher weltweit fehlende Daten zur Langzeitintegration der Elektroden liefern.

Marine Biotechnologie

Der Fisch gilt aufgrund seines hohen Regenerationspotentials als geeignetes Modell, zum Beispiel in der Herzforschung. Wissenschaftler der Fraunhofer-EMB haben ein Testsystem aus Fischzellen entwickelt, bei dem über lange Zeit autonom kontrahierende 3D-Herzzellaggregate in vitro generiert werden4. Analysen mittels Immunhistochemie, PCR und Elektronenmikroskopie belegen die Existenz von Molekülen und Strukturen vollentwickelter Herzzellen, die wie im Herzorgan über Zell-Zellverbindungen miteinander verbunden und elektrisch gekoppelt sind. Weiterhin konnte die spontane Kontraktion durch ein Schrittmacherzentrum geklärt werden. In weiteren Untersuchungen wurden die elektrophysiologischen Eigenschaften der aus Fischzellen differenzierten Herzzellen untersucht. Das in vitro-Modell weist wie alle Herzzellen in Fisch eine schnelle Depolarisation, eine ausgeprägte Plateauphase und eine schnelle Repolarisation auf, die dem Aktionspotential von humanen Herzzellen ähnelt. Des Weiteren konnten Grunow et al.5 die Sensitivitäten von zwei Ionenkanälen des Herzens gegenüber Arzneimittelkandidaten belegen, die auch in humanen Kardiomyozyten vorhanden sind. Diese Aggregate können relativ einfach in großen Mengen hergestellt werden, da dazu keine Wachstumsfaktoren erforderlich sind. Aufgrund ihres dem Menschen ähnlichen Aktionspotentials könnten sie als human-relevantes Herzmodell eingesetzt werden.

Literatur

[1] Becker et al. Adaptive Mitosis Detection in Large in vitro Stem Cell Populations using Timelapse Microscopy. Proc. Bildverabeitung für die Medizin (BVM), Luebeck, Germany, Informatik aktuell, pp. 49-53, 2011
[2] Petschnik et al. A novel xenogeneic co-culture system to examine neuronal differentiation capability of various adult human stem cells. PLoS One. 2011; 6(9): e24944
[3] Richter et al. Frontiers in Neuroprosthetics, (2011). Cellular modulation of polymeric device surfaces: promise of adult stem cells for neuroprosthetics. Front. Neurosci. 5:114. doi: 10.3389/fnins.2011.00114
[4] Grunow et al. In vitro developed spontaneously contracting cardiomyocytes from rainbow trout as a model system for human heart research. Cellular Physiology and Biochemistry (2011) 27, 01-12
[5] Grunow et al. In vitro expansion of autonomously contracting, cardiomyogenic structures from rainbow trout Oncorhynchus mykiss. Journal of fish biology (2010) 76, 427-434
[6] Berghmans et al. Zebrafish based assays for the assessment of cardiac, visual and gut funtion-potential safety screen for early drug discovery. J Phamacol Toxicol Methods 2008; 58: 59-68
[7] Brette et al. Characterization of isolated ventricular myocytes from adult zebrafish (Danio rerio). Biochem Biophys Res Commun 2008; 374:143-146


Korrespondenzadresse:

Dr. Anja Rasch
Deutsche Gesellschaft Industrielle Zelltechnik
info@industrielle-zelltechnik.de
www.industrielle-zelltechnik.de
info[at]emb.fraunhofer.de www.emb.fraunhofer.de

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