Tissue engineering von Knochen - Entwicklung eines Zweikreis-Perfusionssystems für die Langzeitkultivierung von Knochenzellen in einer dreidimensionalen Matrix

• Main Author: Kochel, Michael
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2004
• Subjects: ddc:610
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/745; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-8559; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-8559; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/745/Dissertation_2_Druck.pdf

Die in vitro-Langzeitkultivierung von Zellen in einer Drei-Dimensionalen Matrix (3D-Matrix) stellt nach wie vor eine Herausforderung im Tissue engineering dar. Die Kultivierung von Zellen auf/in komplexen 3D-Trägern erfordert hohe Zellzahlen und lange Kulturzeiten. Um die Probleme des schnellen Mediumverbrauches und der limitierten Zellzahl bzw. Zelldichte in konventionellen Kulturmethoden zu umgehen, wurde ein „Zweikreis-Perfusionssystem“ entwickelt. Hierzu wurde ein Cell-Pharm System (Cell-Pharm System 100®-Basisgerät) modifi-ziert. Das Grundprinzip des Systems besteht darin, dass ein kleinvolumiger (50-70 ml) „Zellkultur-Kreislauf“ über einen Bioreaktor (semipermeable Hohlfasermembran) durch einen großvolumigen (1000 ml) „Regenerations-Kreislauf“ kontinuierlich im Gegenstromprinzip regeneriert wird. Die Regulation des ph-Wertes und der Sauerstoffsättigung des Kulturmediums geschieht über einen integrierten, Druckluft-CO2-begasten Oxygenator. Während die Zirkulationsgeschwindigkeit (Durchflussrate) und Temperatur (37°C) im Regenerations-Kreislauf konstant gehalten werden, lassen sich diese Parameter im „Zellkultur-Kreislauf“ beliebig variieren. Es hat sich gezeigt, dass sich auf diese Weise kontinuierlich über einen langen Zeitraum ohne Mediumwechsel konstante und optimale Milieuverhältnisse in beiden Mediumkompartments einstellen lassen. Zur Untersuchung der Wachstumseigenschaften von Zellen in diesem Perfusions-system wurden humane osteoblastenähnliche Zellen oder Ratten-Knochenmarkszellen auf eine Matrix aus demineralisierter, GuHCl-extrahierter Rinderspongiosa unterschiedlicher Größe (Zylinder zwischen 5x3 mm und 5x10 mm) aufgetragen. Unter intermittierender Perfusion der Kulturkammern (z.B. Minucells cell container®) mit 50-70 ml/d kam es zu einem gleichmäßigen, intertrabekulären Wachstum der Zellen innerhalb des gesamten Trägers. Nach 6-8 Wochen konnte immer noch ein dichtes Netz interdigitierender ALP-positiver osteoblastenähnlicher Zellen innerhalb der gesamten Matrix beobachtet werden. Dabei scheint die physikalisch-mechanische Komponente der „Umspülung“ der Zellen mit dem kontinuierlich regenerierten Nährmedium einen positiven Einfluss auf das Anwachsverhalten und Proliferation der Zellen zu haben. Somit erlaubt das modifizierten „Zweikreisperfusionssystem“ eine gute Möglichkeit für die Langzeitperfusionskultur in einem geschlossenen System mit indi-viduell steuerbaren Strömungsverhältnissen im Zellkompartment bei einer kontinuierlichen Regeneration des Mediums. === Cultivation and expansion of cells on 3D structures in conventional culture systems have some major drawbacks. High cell numbers, long diffusion distances of the fresh medium and frequent medium changes limit the homogenous ingrowth of cells into 3D structures. A new perfusion system was designed consisting of two counter current medium flows. A small volume cell culture loop (CCL, 50ml) is continuously regenerated over a hollow fiber bioreactor with a MWCO of 10k daltons by a large volume regeneration loop (RL, 1000ml) in which circulation and temperature are kept constant. Oxygenation and pH stabilization are maintained by an air/CO2 aerated oxyganator in the RL. Circulatory parameters like flowrate, perfusion interval and duration can be freely adjusted in the CCL. In preliminary experiments stable culture conditions were maintained in the CCL for over 6 weeks in which exogenous pH changes were equalized by the system without addition or changes of fresh medium. Osteoblast like cells (derived from human or rat bone marrow) were seeded on porous 3D collagenous carriers and cultivated in the system. During a cultivation period of 8 weeks under intermittent perfusion a homogenous growth of ALP positive cells was achieved throughout the carrier. The low pulsatile perfusion seems to promote the attachment and the proliferation of the osteoblast like cells. The two loop perfusion system allows a long term cultivation of osteoblastic cells in 3D-scaffolds on the benchtop with adjustable perfusion parameters.