Neue Kultivierungsmethode für das Tissue Engineering durch 3D-ECM-Analyse mittels zeit- und ortsaufgelöster Laserraster-Mikroskopie am Bioreaktor

(gefördert durch das BMBF)

Projektpartner

• Lavision Biotec GmbH, Bielefeld
• Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V., Heilbad Heiligenstadt
• Universität Bielefeld, Fachbereich Physik, Bielefeld
• Verigen Transplantation Service AG, Leverkusen
  

Projektinhalt

Das grundsätzliche Ziel des Vorhabens besteht in der Anwendung von zeit- und ortsauflösender Laserraster-Mikroskopie zum on-line Monitoring von struktur- und funktionsbestimmenden Biomolekülen und Matrixelementen von Knorpelgewebe. Jedes Jahr werden in Deutschland 170.000 Knieschädigungen festgestellt, die im wesentlichen durch Gelenkknorpeldefekte verursacht werden und letztendlich zu 55 Millionen Tagen Arbeitsausfall pro Jahr führen. Derzeit verfügbare in vitro Techniken zur Kultivierung und Reimplantation von Knorpelkonstrukten beinhalten zwar ein ausbaufähiges Potenzial, lassen aber keine Knorpeldefektheilung ohne klinische Nebenwirkungen zu. Vorhabensziel ist dementsprechend die biotechnologische Prozessoptimierung von Knorpelgewebestrukturen, die mittels eines geeigneten Bioreaktors in vitro gezüchtet werden (Tissue Engineering). Zur Optimierung der Prozessbedingungen und zur Qualitätssicherung des zu generierenden, phänotypischen Knorpelkonstruktes soll erstmals die orts- und spektralaufgelöste Multiphotonenmikroskopie direkt am Bioreaktor eingesetzt werden. Als Referenzmethoden dienen die spektrale CLSM sowie biochemische Analyseverfahren. Die grundlegende Strategie, um eine optimierte Chondrocytenkultivierung und eine direkte Prozesskopplung zwischen Bioreaktor und Multiphotonenmikroskopie zu erreichen, lässt sich in zwei wesentliche Arbeitsschwerpunkte untergliedern:

1. Zum einen geht es darum, das entnommene Biopsiematerial in einem speziellen, bioreaktorgestützten Kultivierungssystem in möglichst kurzer Zeit zu expandieren. Hierzu muss neben einer ausreichenden Proliferationsrate sichergestellt sein, dass die Zellen nicht zu stark dedifferenzieren.
   
2. In einer zweiten Phase werden die Knorpelzellen auf einer geeigneten Membran immobilisiert. Speziell angepasste Durchflusszellen garantieren dabei, dass das regenerierte Knorpelgewebe vor der Reimplantation durch entsprechende biochemische und biomechanische Stimuli einen phenotypischen Status annimmt, der dem des nativen hyalinen Knorpelgewebes weitestgehend entspricht.
   

Die mittels des laseroptischen Equipments optimierten "Tissue Engineering" Produkte (hyaliner Knorpel) sollen eine optimierte Defektausheilung im menschlichen Körper bewirken. Die Systemkopplung zwischen dem Laserraster-Mikroskop und dem Tissue Engineering - Bioreaktor schafft somit die essentielle Voraussetzung für die qualitätsgerechte Herstellung eines körpereigenen Knorpelersatzes zur Therapie von Knorpelschäden im Kniegelenk.