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Kryotechnik - Kryokonservierung

Junior Research Group: Cell Protection Technology (REBIRTH-Unit 10.4)

Dr. rer. nat. Nicola Hofmann

 

Die Kryokonservierung bietet die Möglichkeit, biologisches Material bei tiefkalten Temperaturen über lange Zeiträume sicher zu lagern. Wird die Temperatur weit unterhalb der physiologischen von z.B. 37°C abgekühlt, verlangsamt sich die Geschwindigkeit bio­chemischer Reaktionen drastisch. Die Prozesse der Alterung, der biochemischen Zersetzung werden unterbrochen. Deshalb kann prinzipiell eine nahezu unbegrenzte Haltbarkeit des biologischen Materials erreicht werden.

Für eine erfolgreiche Kryokonservierung lebender biologischer Zellen sind verschiedene Parameter von großer Bedeutung: Der Zelltyp, Art und Konzentration der Gefrierschutz-additive, sowie die Kühlrate, die Nukleationstemperatur und der Auftauprozess. Daneben spielen insbesondere auch Probengeometrie und volume­trischer Anteil des Gefrierguts eine Rolle. Sind alle Prozessschritte der Kryokonservierung optimiert, kann eine hohe Vitalität der Zellen nach dem Tauen erreicht werden.

Die Arbeitsgruppe Cell Protection Technology befasst sich mit der Untersuchung biothermodynamischer Prozesse, die der Kryokonservierung biologischer Proben sowie der therapeutischen Kälteanwendung zugrunde liegen. Dabei wurden bereits Kryokonservierungsstrategien für Stammzellen, Gewebe und Produkte aus dem Tissue Engineering (TEPs) entwickelt.

Gleichzeitig finden biologische Wärmetransport-Mechanismen, die Verteilung von Kryoprotektiva in 3D-Konstrukten sowie Veränderungen in subzellulären Strukturen wie epigentetische Regulationsbereiche Beachtung. Hierbei werden auch innovative Gefrierschutzstrategien wie z.B. die Aktivierung zelleigener Stress­schutz­mechanismen (Heat Shock Proteine (HSPs), Anti Freeze Proteine (AFPs)) oder der Einsatz kompatibler Solute geprüft.

 

aktuelle Forschungsthemen:

 

Etablierung alternativer Kryokonservierungsstrategien und Gefrierschutzmittel: u.a. kompatible Solute, Antioxidantien, Heat Shock Proteine, Antifreezeproteine, Zucker und Zuckeralkohole

 

Untersuchung biothermodynamisch verursachter struktureller, zellulärer und subzellulärer, insbesondere epigenetischer Veränderungen: globaler DNA-Methylierungsstatus abhängig von den Kryokonservierungsbedingungen; Promotormethylierungsstatus von Pluripotenz-, Tumorsuppressor-, Apoptose- und oxidativen Stress-Genen, sowie Proteinexpression von DNA- und Histon- Methyltransferasen, Histon -Acethyltransferasen und -Deacetylasen

 

Entwicklung geeigneter Gefrierprotokolle für 3-dimensionale Gewebekonstrukte u.a.:

·         Hemikorneakonstrukte für Toxizitätsstudien in der Ophthalmologie

·         Tumorgewebe für das funktionelle Tumorbanking

·         Zellschutz durch Mikroverkapselung für Kryokonservierung und Immunprotektion nach Transplantation

 

Aktive Kontrolle der Nukleation: gezielt induzierte Eiskeimbildung z.B. durch Laser oder Elektrofreezing

 

Entwicklung von Einfriergeräten: z.B. Konstruktion des µ-freezers, Aufbau einer Power-Down Apparatur zur gerichteten Erstarrung