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Kultivierung von 3D Scaffolds in einem Perfusionsbioreaktorsystem

 

Dipl.-Biol. Inga Bernemann

 

Eine Herausforderung im Tissue Engineering ist es, aus zellulären Komponenten und geeigneten Trägermaterialien einen künstlichen vitalen Gewebeersatz herzustellen. Diese werden auch als Biohybride bezeichnet. Als ein geeignetes Trägermaterial für die in vitro-Kultivierung von Zellen und Geweben in drei-dimensionalen Strukturen haben sich Kollagenscaffolds mit gerichteter Porenstruktur erwiesen. Kollagen zeichnet sich durch gute Biokompatibilität und umfangreiche Aufbereitungsmöglichkeiten aus. Auch entstehen beim körpereigenen Abbau keinerlei toxische Substanzen, was das Material für die Anwendung im Tissue Engineering prädestiniert.

 

Viele künstlich hergestellte Konstrukte weisen trotz nennenswerter Fortschritte bei der Herstellung artifizieller Gewebe mit den heutigen Kulturmethoden keine ausreichende Qualität auf. Die fehlende Homogenität der Zellen im Gewebe und eine damit verbundene unzureichende Syntheseleistung der Zellen von extrazellulärer Matrix führt zu instabilen, den Belastungen nicht gerecht werdenden Gewebsimplantaten. Um Zellen gleichmäßig und effizient auf 3D-Scaffolds auftragen und kultivieren zu können, werden geeignete Kultivierungsmethoden benötigt. Die Herstellung von qualitativ hochwertigen Gewebekonstrukten sollte von Beginn der Kultivierung an gewährleistet sein. Nach einer optimierten Besiedlung der Konstrukte sollte die Kultivierung in einer Perfusionskultur mittels eines Bioreaktorsystem erfolgen, die den Zellen effizientere Kultivierungsbedingungen als statische Kulturen bieten. Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Kultivierung in 3D-Trägern sind geeignete Trägermaterialien, genügend hohe Zellzahlen, regelmäßiger Mediumsaustausch, stabiler pH-Wert und optimale Oxygenierung der Zellen.

 

Die Perfusionskultur stimuliert organtypische, physiologische Bedingungen und fördert so typische biologische Eigenschaften der Zellen. Durch Umschichtung des Mediums mittels dynamischer Kultivierung in einem Perfusionsbioreaktorsystem kann eine verbesserte Nähr- und Sauerstoffversorgung der Zellen und damit eine homogene Zellverteilung, gute Proliferation und Vitalität der Zellen im Scaffold erreicht werden. Permanent entstehende, schädliche Stoffwechselmetabolite werden kontinuierlich entfernt. Während der Kultivierung können die pH-, die pO2- and pCO2-Werte ermittelt werden. Der Mediumfluss und die Temperatur werden kontinuierlich online ermittelt, die Regelung erfolgt über ein LabView® Programm [Kuberka M; Gezielte dreidimensionale Zellkultivierung auf strukturierten lyophilisierten Kollagenträgern. Diss. RWTH Aachen, 2006].

 

 

Abb.: Aufbau des Bioreaktorsystems. Über den Mediumszulauf wird frisches Nährmedium zum Verteiler und weiter über die Peristaltikpumpe in die einzelnen Pumpkreisläufe des Bioreaktors geleitet, verbrauchtes Medium wird abgeleitet und separat gesammelt. [Dynamische Besiedlung und Kultivierung von 3D-Kollagenträgern in einem Perfusions-reaktorsystem. Bernemann I, unveröff. Diplomarbeit (2005)]