Zelltechnologie

Fraunhofer-Einrichtung für Marine Biotechnologie

© Fraunhofer EMB

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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