Zelltechnologie

Kernkompetenzen

  • Bildbasierte Zellanalyse: Software- und Hardwareentwicklung
  • Neue Materialien für die Zellkultur
  • Zelltransport

Entwicklung von innovativen Geräten für Zellkultur, Zellhandling und Zell-Logistik

Die Arbeitsgruppe Zelltechnologie entwickelt innovative Geräte für Zellkultur, Zellhandling und Zell-Logistik. Diese Entwicklungen finden in drei Bereichen statt: (1) Geräte und Software für bildbasierte Zytometrie; (2) Bioreaktoren für adhärent wachsende Zellen; (3) Geräte für die schnelle Inkulturnahme von Zellen aus Biopsien und der Untersuchung des Übergangs von Gewebe in Zellkultur.

Die Arbeitsgruppe Zelltechnologie operiert somit in dem hochspannenden Grenzgebiet zwischen Zellbiologie, Verfahrenstechnik, Informatik, Materialwissenschaften und Laborgerätebau. Im Zusammenführen dieser Einzeldisziplinen liegt die spezifische Kompetenz der Arbeitsgruppe Zelltechnologie.

In der bildbasierten Zytometrie hat die Arbeitsgruppe in den letzten Jahren entscheidende Fortschritte erzielt. Bildbasierte Zytometrie meint die quantitative Analyse von Zellkulturen vermittels softwarebasierter Auswertung von mikroskopischen Zellbildern und Bildfolgen. Bereits 2011 war es der Arbeitsgruppe Zelltechnologie gelungen, ein Verfahren zu entwickeln, mit dessen Hilfe mögliche Fehler bei der Verfolgung einzelner Zellen systematisch aufgespürt werden können.

Dadurch erhöht sich die Zuverlässigkeit der Zellverfolgung so stark, dass sie der manuellen Zellverfolgung durch Spezialisten ebenbürtig ist. Dieser Durchbruch wird große Bedeutung für die künftige Zellkultur haben. Es ist nun möglich, das Geschehen in der Zellkulturschale vollautomatisch zu verfolgen und viele Tausende von Zellen in Echtzeit quantitativ zu analysieren. Es können sowohl statische Parameter (Zellform, Zellgröße, Zellanzahl) als auch dynamische Parameter (Bewegungsanalyse, Zellteilungen) im Brutschrank automatisch ermittelt werden.

Zu den zytometrischen Analyseverfahren, die in der Arbeitsgruppe entwickelt wurden, gehört seit Neuerem auch eine unabhängig von der Zelldetektion funktionierende Mitosedetektion. Mitosen – Zellteilungen – sind die eigentlichen Start- und Endpunkte im Leben einer Zelle. Jede Zelle tritt als Tochterzelle ins Leben und verschwindet, indem sie selbst Tochterzellen bildet. Deshalb sind Mitosen die wichtigsten Ereignisse in der Zellkultur und ihre Detektion für die Zytometrie von eminenter Wichtigkeit. An der EMB wurden hierzu verschiedene Alghorithmen entwickelt, die eine sehr genaue Detektion mitotischer Ereignisse gestatten. Daraus wiederum lässt sich die Verteilung der Zellzykluszeiten einer Zellkultur bestimmen. Dieser Parameter, wiewohl für die Beschreibung und das Verständnis komplexer Zellkulturen unabdingbar, ist über herkömmliche Methoden praktisch nicht erhebbar.

Im letzten Jahr konnten auch Verbesserungen bei der Isolation adulter Stammzellen aus Drüsengewebe erzielt werden. Die Ausbeute der Isolation wurde durch Optimierung der Abläufe, Prozessparameter und eingesetzten Enzyme vervielfacht. Auch ist es nun möglich, das Gewebe vollständig in vitale Einzelzellen zu dissoziieren, was die Voraussetzung für eine Reinigung bzw. Fraktionierung der Zellpopulation ist.

Schließlich hat die Arbeitsgruppe im vergangenen Jahr neue Entwicklungen im Bereich der Bioreaktoren für adhärent wachsende Zellen voran getrieben. Insbesondere wurde ein neuartiges kapsel-basiertes Reaktorprinzip etabliert (siehe Projektbeispiel). Gegenwärtig wird die industrielle Vermehrung adhärent wachsender Zellen in Bioreaktoren auf Microcarriern oder Hohlfasern durchgeführt. Da die meisten adhärenten Zellen nur in einem eingeschränkten Dichtebereich von ca. 500-50.000 Zellen/cm2 proliferieren, sind die erzielbaren Vermehrungsfaktoren, unerachtet von Methode und absoluter Wachstumsfläche, auf ca. 102 bis maximal 103 beschränkt. Unsere neue Methodik ermöglicht demgegenüber einen zyklisch geführten Prozess, bei dem jeder Zyklus etwa eine Verzehnfachung der Zellmenge erbringt. Dadurch werden Expansionsfaktoren jenseits von 104 ermöglicht. Das Prinzip hierbei beruht auf der Verkapselung von Zellen in einem Hydrogel, in dem die Zellen wachsen können; nachdem die Kapsel mit Zellen gefüllt ist, kann das Kapselmaterial aufgelöst werden und die Zellsuspension steht für einen weiteren Verkapselungszyklus zur Verfügung.

Das Verfahren bietet viele Vorteile. Zum einen entfallen die Schritte der Inokulation/Zellernte völlig und werden durch die Prozesse des Verkapselns bzw. Kapselauflösens ersetzt. Sodann kann der Reaktor auch bei kleinen Start-Zellzahlen bereits in seiner Endgröße betrieben werden, bzw. lässt sich die Zahl der Zwischenschritte stark verringern. Überdies sind die Zellen im Innern der Kapseln mechanisch geschützt. Der Schutz vor Scher- und Prallkräften ermöglicht neben besseren Überlebensraten auch höhere Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Volumenströme. Schliesslich wachsen die Zellen in einer dreidimensionalen Umgebung, die es gestattet, die Zellen unter Beibehalt ihrer biologischen Funktion bzw. Identität zu vermehren. Dies ist insbesondere für die Vermehrung von Stammzellen unabdinglich. 

 

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FORSCHUNGSPROJEKTE

Röntgenmikroskopie biologischer Proben

Die EMB verfügt über eines der leistungsfähigsten Röntgenmikroskope der Welt, um biologische Proben abzubilden. Das Zeiss Versa 510 kann genutzt werden, um makroskopische - auch undurchsichtige - Proben mit zellulärer Auflösung dreidimensional abzubilden. Diese Technik kann überall eingesetzt werden, wo die dreidimensionale Anordnung von Zellen aufgeklärt werden soll, i.e. in Geweben, in Hydrogelen, und anderen 3D-Zell-Aggregaten. Auch Larven und kleine Tiere können mit hoher Auflösung (max 700 nm) in ihrem nativen Zustand abgebildet werden.

Analyse komplexer Zellkulturen mit Zeitraffermikroskopie

Eine an der EMB entwickelte Software erlaubt die automatisierte Verfolgung einzelner Zellen und die Beschreibung von Zellpopulationen mit bislang unerreichter Präzision. Dadurch ist es möglich, Zellkulturen durch „reines Hinschauen“ nicht-invasiv zu charakterisieren und aussagekräftige biologische Parameter aus Bildserien abzuleiten. Diese biologischen Parameter können etwas über die Verteilung von Zellformen aussagen, über zellinterne Bewegungen und das Migrationsverhalten; über das Teilungsverhalten und die Sterberaten sowie über Verknüpfungen dieser und weiterer Merkmale. Es lassen sich an der EMB Zelltracking- und Timelapse-Experimente samt der anfolgenden komplexen Auswertungen in Auftrag geben.

Charakterisierung neuartiger Scaffolds für die 3D-Zellkultur

Um das dreidimensionale Wachstum von Zellen zu steuern, werden verschiedene geometrische Anordnungen von zellkulturkompatiblen Materialien getestet. Dabei werden sowohl Form als auch Größe von Carriern systematisch variiert. Auch die chemische Zusammensetzung und die Elastizität der Substrate können als Parameter eines geeigneten Substrates gezielt verändert werden, ebenso Oberflächenrauhigkeit und Porengrößenverteilung. Neuere Aktivitäten betreffen die Verkapselung von Zellen in polypeptidhaltigen Gelmischungen. Die AG Zelltechnologie hat genaue Methoden für die quantitative Analyse des Zellgeschehens etabliert (genaue Zellzahl in 3D-Aggregaten; Stoffwechselaktivität).

Entwicklung von Zellkultur-Disposables

Aus den konkreten Anforderungen der Praxis werden in Zusammenarbeit mit den anderen Arbeitsgruppen der EMB unterschiedliche Consumables entwickelt. Beispielsweise wurden mit dem Kunststoff-Kompetenzzentrum der FH Lübeck selbsthaftende Kammern für beschichtete Objektträger entwickelt. Mit deren Hilfe kann die Eignung neuartiger Oberflächen für die Zellkultur schnell und kostengünstig untersucht werden. Weiterhin wurden neue Substrate für das freistehende Einfrieren dünner Gewebeschnitte entwickelt. Neue Entwicklungen beschäftigen sich mit Disposables für die Durchflusskultur und mit optischen Disposables.

Kryokonservierung

Die Arbeitsgruppe etabliert und optimiert Verfahren für die Kryokonservierung von Zellen und Geweben. Im Auftrag erstellt sie Protokolle für die Konservierung biologischer Proben, die die spezifischen Kundenbedürfnisse berücksichtigen und eine höchstmögliche Qualität der Proben bewahren. Insbesondere hat sich die Arbeitsgruppe Zelltechnologie auf die Kryokonservierung biologisierter/zellularisierter Materialien spezialisiert. Dazu zählen Zell-Gele, zellbewachsene Folien und Matrices, Scaffolds (bis ca. 0.5mm Dicke) und Zell-enthaltende Schäume.

Analyse von Oberflächen für Zellkultur und Zelltransplantation

Die Arbeitsgruppe „Zelltechnologie“ verfügt über ein standardisiertes Repertoire an Methoden, um die Eignung neuer Materialien für die Zellkultur einzuschätzen. Zu den Zellparametern, die routinemässig und in hohem Durchsatz erhoben werden können, zählen Vitalität, Proliferation, metabolische Aktivität (Glucoseverbrauch, Lactatproduktion, Ansäuerungsleistung, Sauerstoffverbrauch), Adhäsionsgeschwindigkeit, Adhäsionskraft und Differenzierungspotential (FACS, Immuncytochemie, RT-PCR). Die meisten dieser Parameter werden mithilfe automatischer oder halbautomatischer Analysesysteme erhoben. Es lassen sich verschiedene Zell/Material-Kombinationen parallel screenen und hinsichtlich bestimmter Anwendungen optimieren (Erzeugung von Zellmasse, klinische Anwednung etc.). Gern führt die AG Zelltechnologie hierzu Auftragsarbeiten aus.

Time-Lapse-Service

Unsere Arbeitsgruppe verfügt über drei modern ausgestattete Zeitraffermikroskope. Es lassen sich sowohl lichtmikroskopische Zeitserien als auch die Dynamik von fluoreszenten Reportergenen detailliert aufzeichnen (Epi-Fluoreszenz und konfokale Lasermikroskopie). Die Zeitraffermikroskope stehen auch Industriepartnern und akademischen Kooperationspartnern zur Verfügung. Sie können sowohl von unseren langjährigen Erfahrungen als auch von den Möglichkeiten der nachgeschalteten computergestützten Analyse (Migration, Stammbäume etc.) profitieren.

Publikationen