Biotesting und Tissue Engineering

Die AG Blume untersucht neue Implantatmaterialien in 3D-Zellkulturmodellen und die dynamische Kultivierung autologer (Endothel-)Zellsysteme in speziellen Pulswellen-Bioreaktoren für ein vaskuläres Graft. Mikrostrukturierte Scaffolds und neue Biotinten werden im 3D Printing designt. Daneben entstehen Lateral Flow Tests z. B. nach Nierentransplantation sowie optogenetisch aktive Zellsysteme für die Wirkstofffreisetzung im Innenohr (Hearing4All). KI-basierte Indikatoren aus komplexen Datenbanken unterstützen u. a. Versorgungsforschungsprojekte (MinDial, Fokus: nierenkranke Patienten).

Forschung

Entwicklung einer Gefäßbioprothese

Tissue Engineering ist ein stark wachsender Sektor im Bereich der zukunftsorientierten Medizin und bietet ein enormes Potential im Bereich der Entwicklung von bioartifiziellen Gefäßprothesen, welchem in einer stark alternden Gesellschaft eine immer größer werdende Bedeutung zukommt. Eines der Hauptprobleme in der Entwicklung liegt in der Isolation und Kultivierung von Endothelzellen unter dem Aspekt der autologen Transplantation. Neuste Studien zeigen jedoch, dass humane mesenchymale Stammzellen, welche aus dem Fettgewebe von Patienten isoliert wurden (hASCs, Kooperation mit der Klinik für Plastische Chirurgie der MHH), Ansätze für die Differenzierung in eine endotheliale Richtung aufweisen und auch die Differenzierung unreifer Endothelzellen zu Kapillaren positiv beeinflussen. Wir haben daher ein Protokoll zum gezielten Einsatz der Stammzellen in Kokultur mit Endothelzellen entwickelt. Für die induzierte Sekretion proangiogener Marker spielen hier vor allem die Kultivierungsparameter Hypoxie und Scherstress eine wichtige Rolle. Parallel isolieren wir endotheliale Vorläuferzellen aus dem peripheren Blut (Kooperation mit der Blutbank der MHH) und optimieren deren extrakorporale Expansion und Entwicklung zu einer konfluenten Zellschicht auf Scaffoldmaterialien für eine Gefäßbioprothese. Hierbei spielen auch die durchflusszytometrische Analyse der spezifischen Zelluntergruppen sowie die selektive Subkultivierung eine Rolle. Zudem untersuchen wir den Einfluss verschiedener Scherstressbedingungen (statische vs. dynamische Kultivierung unter pulsatilem oder laminarem Fluss unterschiedlicher Fließgeschwindigkeiten) auf diese aus dem peripheren Blut isolierten endothelialen Vorläuferzellen.

Bioprinting

Im Bereich des Bioprinting arbeiten wir technisch eng mit der AG Prof. Holger Blume (eNIFE) an einem BioX Bioprinter der Fa. Cell-Ink zusammen. Neuartige biodegradable Polymere werden als Scaffoldmaterial getestet und in feinsinnigen Gitterstrukturen mittels des Bioprinters gedruckt, mit einem nativen Protein beschichtet und mit Endothelzellen besiedelt. Hier besteht eine Kooperation zur AG PD Dr. U. Böer/Prof. Dr. M. Wilhelmi im NIFE und zu deren Arbeiten an dezellularisierten Tierarterien. Parallel werden diese Scaffolds auch mittels „Porogen Leaching“ aus PLLA/PLGA und anderen biodegradablen Polymeren hergestellt und für die gezielte Ansiedelung von Zell-Kokulturen aus MSCs und Endothelzellen zur Reifung von Kapillarzellnestern genutzt.

Bioreaktorentwicklung

Für die kliniknahe Bereitstellung und Kultivierung eines „vascular graft“ (bioartifizielle Gefäßprothese) entwickelt unsere Arbeitsgruppe ebenfalls in Kooperation mit der AG Blume (eNife) einen funktionsgerechten Bioreaktor. Dieser reguliert im Gegensatz zu existierenden Systemen auch den Differenzierungsprozess des wachsenden Grafts und kontrolliert die Kultivierungsbedingungen. Hierfür wurden Sensorsysteme für pH, Temperatur, Glukose etc. angepasst und ein berührungsloses Monitoring über Ultraschall etabliert. Der Bioreaktor wurde 2018 bereits mit dem VDI Preis ausgezeichnet.

Biotesting

Ein weiteres Aufgabengebiet der Arbeitsgruppe ist das Biotesting. Dabei handelt es sich um das Screening unterschiedlicher pharmakologisch wirksamer Substanzen bezüglich ihrer Auswirkung auf das Proliferationsverhalten sowie ihrer Toxizität gegenüber humanen primären Zellen als auch Zelllinien. Für das Screening werden sowohl etablierte Assays (CTB, MTT, ECIS, Apo ONE) verwendet als auch neue Methoden etabliert, die versuchsspezifische Fragestellungen detaillierter einbeziehen. Dazu zählt die Toxizitätsbestimmung von modernen Immunsuppressiva in etablierten 3D-Sphäroidsystemen. Unsere Ergebnisse erklären beispielsweise die in der Klinik beobachtbare endothelzerstörende Wirkung des Calcineurininhibitors Tacrolimus auch unter kontrollierten klinischen Bedingungen. Auch neubearbeitete Implantatmaterialien wie besondere feinmechanisch gestaltete Titanplättchen für die Anwendung in Zahnimplantaten werden in Hinblick auf die effektive Anhaftung von humanen Zellsystemen getestet und für die optimale Osseointegration z. B. von Zahnimplantaten beforscht (Kooperation mit dem Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, Prof. B. Denkena sowie mit der AG Prof. M. Stiesch im NIFE). Weiterhin befassen sich eine Postdoktorandin und zwei Doktoranden am Institut für Technische Chemie in der Nordstadt mit der Entwicklung diagnostischer Testsysteme wie Lebendzell-Microarrays und Lateral Flow Assays für die Nierentransplantatabstoßung auf Basis sensitiver Antikörper und Aptamere. Diese DFG- und EFRE-geförderten Projekte sind mit dem Institut für Transfusionsmedizin sowie mit der Klinik für Nephrologie der MHH vernetzt.

Optogenetik

Als Teil des Exzellenzclusters Hearing for All nutzen wir unsere Erfahrung mit mesenchymalen Stammzellen und Zelltransfektionen für die Entwicklung optogenetisch aktivierbarer Zellen für die humane Therapie. Über Lichtinduktion mittels eines optogenetischen Schalters soll in Kooperation mit der AG von Fr. PD A. Warnecke die Transkription bestimmter pharmakologisch oder neuroprotektiv bedeutsamer Proteine z. B. während der Einheilung von Cochleaimplantaten im Rahmen von begleitenden Zelltherapien induziert werden. Auch für die Aktivierung von Nanopartikeln im „Drug Delivery“ können so Enzyme gezielt angeschaltet werden (Kooperation mit der AG Prof. P. Behrens, Anorganische Chemie, NIFE). Das verwendete optogenetische System der AG von Prof. W. Weber, Universität Freiburg konnte bereits in CHO-Zellen erfolgreich auch für die Induktion durch Lasersysteme der AG Prof. A. Heisterkamp im NIFE bei uns optimiert werden und wird derzeit auf mesenchymale Stammzellen aus dem Fettgewebe oder aus dem Knochenmark übertragen.