Biostabilisierung

Die Biostabilisierung ist ein wesentlicher Schritt bei der Entwicklung von Implantaten und tissue-engineerten Konstrukten mit zellulären Komponenten oder Biomolekülen. Es müssen maßgeschneiderte Konservierungsmethoden festgelegt werden, um die Verfügbarkeit in akuten Situationen sicherzustellen und den interkontinentalen Transport zu ermöglichen. Beispielsweise können dezellularisierte Herzklappen gefriergetrocknet werden, um Lagerung und Transport bei Raumtemperatur zu ermöglichen. Kryokonservierte endothelialisierte Biohybrid-Lungenmodule ermöglichen die Verfügbarkeit bei Bedarf.

Forschung

Biostabilisierung

Der Schwerpunkt der Gruppe liegt auf der Entwicklung von Konservierungstechnologien für Zellen, Gewebe und Körperflüssigkeiten für Krankheitsdiagnostik, Therapien, genetische Feldstudien und genetische Reserven. Um biologische Proben für die zukünftige Verwendung verfügbar zu haben, müssen sie aufbewahrt und gelagert werden, was normalerweise bei extrem niedrigen Temperaturen erfolgt. Die kryogene Lagerung beruht sowohl während der Lagerung als auch während des Transports zur Klinik oder zum Einsatzort auf einer komplexen Kühlkettenlogistik. Alternativ können Proben getrocknet werden, so dass sie bei Raumtemperatur gelagert werden können. Dies reduziert die Probleme bei der Lagerung und dem Transport erheblich und kann in unterentwickelten Ländern und außerhalb des Labors umgesetzt werden.
Die Hauptforschungslinien der Gruppe sind:

Zellkonservierungstechnologie

Der erste und schwierigste Schritt sowohl bei der Kryokonservierung als auch bei der Trockenkonservierung von Zellen besteht darin, eine ausreichende und zugleich nicht-toxische Menge an Schutzmitteln in die Zelle einzubringen. Membranen bilden eine Diffusionsbarriere, durch die ein osmotisches Ungleichgewicht erzeugt wird und Zellverformungsverletzungen verursacht werden, sobald die Zellen in eine Lösung, die Schutzmoleküle enthält, eingebracht werden. Wir haben Methoden etabliert, um Zellen mit Schutzmitteln zu beladen, bei welchen die osmotischen Toleranzgrenzen der Zelle basierend auf experimentellen Beobachtungen berücksichtigt werden. Experimentelle Beobachtungen von Zellen während der Beladung mit Kryoprotektiva werden durch mathematische Modelle (analytische sowie Finite-Elemente-Methoden) unterstützt. Mit Hilfe dieser Modelle lassen sich Vorhersagen treffen wieviel Zeit zum Beladen der Zellen mit Schutzmitteln benötigt wird, und wie groß die dabei auf die Zelle einwirkende Verformungsspannung ist. Anwendungen bei welchen die Kryokonservierung eingesetzt wird umfassen männliche und weibliche Gameten, und Stammzellen, und Blut. Gefriergetrocknete Spermien und Körperzellen werden für die künstliche Befruchtung und das Genom-Reserve-Banking eingesetzt. Gefriergetrocknetes Blut wird für die Transfusionsmedizin verwendet.

Gewebekonservierungstechnologie

Die derzeitigen Methoden zur Gewebekonservierung sind durch die Größe und die Abmessungen des Gewebes begrenzt, was zu Einschränkungen bei der Wärme- und Stoffübertragung führt. Je größer eine Probe ist, desto schwieriger ist es, die gleiche Abkühlrate an verschiedenen Positionen innerhalb der Probe zu erreichen. Darüber hinaus dauert das Einbringen von Schutzmolekülen mit zunehmender Objektgröße länger, was zu Toxizitätseffekten führen kann, wenn der Ladevorgang zu lange dauert. Wir haben fortschrittliche spektroskopische Methoden entwickelt, um die Diffusion von Schutzmolekülen in das Gewebe zu untersuchen und sind in der Lage mit Hilfe von Massentransportmodellen die entsprechenden Diffusionskonstanten abzuleiten. Diese Erkenntnisse werden verwendet, um Methoden rational zu entwerfen, um Gewebe mit ausreichenden Mengen an Schutzmolekülen für die Kryokonservierung oder für die Gefriertrocknung zu beladen. Zu den Anwendungen gehören kryokonserviertes Ovarialgewebe, gefriergetrocknete Herzklappen und Perikard-Patche.

Liposomenverkapselungs- und -stabilisierungstechnologie

Liposomen sind Nanopartikel aus natürlichen Phospholipiden, die als Vehikel für die Abgabe von Arzneimitteln oder Impfstoffen verwendet werden können. Die Herstellung und Einkapselung der Liposomen erfolgt mithilfe der Extrusionstechnologie und wird mit der Zugabe von Schutzmitteln kombiniert, die entweder eine kryogene oder eine getrocknete Lagerung ermöglichen. Wir untersuchen die biophysikalischen Eigenschaften von Liposomen in Konservierungsformulierungen, einschließlich des Membranphasenverhaltens der Liposomen und der Enthalpie-Relaxationsphänomene unterhalb der Glasübergangstemperatur und ihrer Beziehung zur Stabilität der Probenlagerung.

Nicht-invasive Spektroskopie

Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) wird verwendet, um die Auswirkungen des Erhitzens, Einfrierens und / oder Trocknens auf Biomoleküle (Lipide, Proteine und DNA) in Zellen und Geweben zu identifizieren. FTIR wird mit Hauptkomponentenanalyse- (PCA) und maschinellen Lernansätzen kombiniert, um oxidative Schäden in kryokonservierten und getrockneten Proben zur Qualitätssicherung während der Lagerung zu bewerten. Darüber hinaus wird FTIR in Kombination mit maschinellem Lernen zur Klassifizierung von Bakterien in Biofilmen verwendet.

GRUPPENLEITUNG

Prof. Dr. Ir.

Willem Wolkers

AG-Leitung

Reproduktionsmedizinische Einheit der Kliniken

Tobias Braun

PhD Student

Sükrü Caliskan

PhD Student

Inola Kohrs

Medizinisch-technische Laboratoriumsassistentin (MLTA)

Dejia Liu

PhD Student

Harriëtte Oldenhof

Senior Staff Scientist

Publikationen

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Schlagwörter

Biowärme und Stofftransfer, Kryokonservierung von Zellen und Geweben, Kryokonservierungsmodellierung, Trockenbiobanking, Gefriertrocknung, Liposomenverkapselungstechnologie, Makromolekulare Stabilität, Membranbiophysik, Molekulare Spektroskopie

Kontakt

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