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).
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.
Publikationen
Jonczyk, R., Stanislawski, N., Seiler, L.K., Blume, H., Heiden, S., Lucas, H., Sarikouch, S., Pott, P.-C., Stiesch, M., Hauß, C., Saletti, G., González-Hernández, M., Kaiser, F. K., Osterhaus, A., Rimmelzwaa, G. Blume, C. (2022): Combined prospective seroconversion and PCR data of selected cohorts indicate a high rate of subclinical SARS-CoV-2 infections – an open observational study in Lower Saxony, Germany. Microbiology Spectrum.
Seiler, L.K., Phung, N.L., Nikolin, C., Immenschuh, S., Erck, C., Kaufeld, J., Haller, H., Falk, C.S. Jonczyk, R., Siegl, J., Mayer, G., Blume, C. (2022). An antibody-aptamer-hybrid lateral flow assay for detection of CXCL9 in antibody-mediated rejection after kidney transplantation. Diagnostics.
Wichert, N., Witt, M., Blume, C. (2021): Clinical applicability of optogenetic gene regulation, Wiley´s Biotechnology & Bioengineering
Kraus, X., Pflaum, M., Thoms, S., Jonczyk, R., Witt, M., Scheper, T., Blume, C. (2021): A pre-conditioning protocol of peripheral blood derived endothelial colony forming cells for endothelialization of tissue engineered constructs. Microvascular research.
Kraus, X., Pflaum, M., Thoms, S., Jonczyk, R., Witt, M., Scheper, T., Blume, C. (2020): Analyses of autologous endothelial colony forming cells under flow, Tissue Engineering and regenerative medicine.
Kraus, X., Pflaum, M., Thoms, S., Jonzcyk, R., Blume, C., (2020): Endothelial colony forming cells under shear stress. Abstracts. (2020). The International Journal of Artificial Organs.
Heene, S., Thoms, S., Kalies, S., Peppermüller, P., Scheper, T., Blume, C. (2020): Vascular network formation on macroporous polydioxanone scaffolds, Nature Scienctific Reports.
Thoms, S., Heene, S., Witt, M., Jonczyk, R., Scheper, T., Blume, C. (submitted 2020): Dynamic-hypoxic conditioning of adipose tissue-derived mesenchymal stem cells and co-culturing with human umbilical vein endothelial cells favors endothelial network formation, Microvascular Research.
Seiler, L., Jonczyk, R., Lindner, P., Phung, L., Scheper, T., Blume, C.: A new lateral flow assay to detect sIL-2R during T-cell mediated rejection after kidney transplantation, Anaylst.
Phung, L., Walter, J.-G., Jonczyk, R., Seiler, L., Scheper, T., Blume, C.: Development of an aptamer-based Lateral Flow Assay for the detection of CRP using microarray technology, ACS Combinatorial Science.
von der Haar, K., Jonczyk, R., Lavrentieva, A., Weyand, B., Vogt, P., Jochums, A., Stahl, F., Scheper, T., Blume, C. (2019): Electroporation: A sustainable and cell biology preserving Cell Labeling Method for adipogenous Mesenchymal Stem Cells, BioResearch.
Thoms, S., Ali, A., Jonczyk, R., Scheper, T., Blume; C. (2018): Adverse effects of tacrolimus on stability of endothelial cells in spheroids and angiogenesis – toxicity testing in a 3 D cell culture approach, Toxicology in Vitro.
Maschhoff, P.; Heene, S.; Lavrentieva, S.; Hentrop, T.; Leibold, C.; Wahalla, M.-N.; Stanislawski, N.; Blume, H.; Scheper, T.; Blume, C. (2017): An intelligent bioreactor system for the cultivation of a bioartificial vascular graft, Engineering in Life Sciences.
Leibold, C., Walhalla, M., Blume, C., Blume, H., Wilhelmi, M. (2015): A real-time monitoring system controller for medical tissue engineering bioreactors, IEEE Xplore.
Prof. Dr. Cornelia Blume
NIFE
+49 511 532 1326
blume(at)iftc.uni-hannover.de
Stadtfelddamm 34
30625 Hannover
Institut für technische Chemie
+49 511 762 963
Callinstr. 3-9
30167 Hannover
Poster/Konferenzbeiträge:
2021
Seiler, L. K., Jonczyk, R, Lindner, P., Phung, L., Scheper, T., Falk, C.S., Blume, C.: Development of a Lateral Flow Assay Detecting CXCL9 within Antibody Mediated and Acute T-Cell Mediated Rejections After Kidney Transplantation, American Transplant Congress, (2021)
Kraus, X., Pflaum, M., Thoms, S., Jonczyk, R., Witt, M., Scheper, T., Blume, C.: Autologous ECFCs as promising cell source for endothelialization of TEVGs. 3D Cell Culture Conference, Freiburg
Christoffers, S., Wichert, N., Wahalla, M., Blume, H., Blume, C.:
Temporal controlled gene regulation in a blue light-triggered
opto-genetic system in HEK293 cells, Hearing 4 All Symposium Hannover
2020
Loewner, S., Heene, S., Scheper, T., Blume, C.: Poly-p-dioxanone as a
new scaffold material for 3D printing in tissue engineering, 3rd
International Conference on 3D Printing and Additive Manufacturing, Paris
Seiler, L. K., Jonczyk, R, Lidner, P., Phung, L., Scheper, T., Falk, C.S., Blume, C.: Lateral Flow Assay to Detect sCD25 after After Kidney Transplantation, American Transplant Congress, (2020)
Kraus, X., Pflaum, M., Thoms, S., Jonczyk, R., Scheper, T., Blume, C.: Analyses of autologous endothelial colony forming cells under different shear stress applications. International Cell Culture Under Flow Meeting, München
Wichert, N., Witt, M., Jonczyk, R., Martinez, A., Strauss, T., Schulze, J., Sgodda, M., Torres, L., Wahalla, M., Nothwang, H., Behrens, P., Warnecke, A., Cantz, T., Heisterkamp, A., Blume, H., Blume, C.: Light-induced Protein Synthesis in Human Mesenchymal Stem Cells for Cochlea Implants, Association for Research in Otolaryngology - MidWinter Meeting San Jose,
2019
Kraus, X., Cholewa, F.: Generation of a Biohybrid Vascular Structure, International Conference on Biomedical Technology (ICBT) Hannover
Kraus, X., Cholewa, F.: Generation of a Biohybrid Vascular Structure, International Conference on Biomedical Technology (ICBT) Hannover
Wichert, N., Strauss, T., Jonczyk, R., Witt, M., Martinez, A., Sgodda, M., Torres, L., Wahalla, M., Schulze, J., Nothwang, G., Warnecke, A., Cantz, T., Heisterkamp, A., Behrens, P., Blume, H., Blume, C.: Optogenetics in human mesenchymal stem cells, Hearing 4 All DFG Begehung NIFE
Wichert, N., Strauss, T., Jonczyk, R., Witt, M., Martinez, A., Sgodda, M., Torres, L., Wahalla, M., Schulze, J., Nothwang, G., Warnecke, A., Cantz, T., Heisterkamp, A., Behrens, P., Blume, H., Blume, C.: Optogenetics in human mesenchymal stem cells, Hearing 4 All Summer School Visselhövede
Wichert, N., Witt, M., Jonczyk, R., Martinez, A., Torres, L., Wahalla, M., Heisterkamp, A., Blume, H., Blume, C.: Optimization of light-induced protein synthesis in CHO-K1 cells, Hearing 4 All Symposium Hannover
Wichert, N., Martinez, A., Sgodda, M., Witt, M., Cantz, T., Blume, C.: Towards stable integration of an optogenetic toggle switch in human mesenchymal stem cells via lentiviral transfection, Hearing 4 All Symposium Hannover
Wichert, N., Strauss, T., Jonczyk, R., Witt, M., Martinez, A., Sgodda, M., Torres, L., Wahalla, M., Schulze, J., Nothwang, G., Warnecke, A., Cantz, T., Heisterkamp, A., Behrens, P., Blume, H., Blume, C.: Light-induced protein synthesis in mammalian cells, Optogenetics - Technologies & Applications Boston
2018
Wichert, N., Torres, L., Wahalla, M., Blume, C., Heisterkamp, A., Blume, H.: Laser-based light inductio of GFp synthesis in CHO-K1 cells as a model for optogenetics in human cells, Hearing 4 All Summer School, Soltau
Wichert, N., Hans, S., Wahalla, M., Reinard, T., Blume, C., Blume, H.: Optogentically induced protein expression in mammalian cells, Hearing 4 All Symposium, Oldenburg
Heene, S., Thoms, S., Jonczyk, R., Stanislawski, N., Blume, H., Blume,, C.: Development of microvascular structures inside 3D-printed scaffolds in comparison to fibrin coated scaffolds manufactured by porogen leaching, Würzburg
Heene; S., Thoms; S., Jonczyk; R., Scheper; T., Blume, C.: Development of microvascular structures inside porous fibrin coated polydioxanon and PLLA/PLGA scaffolds, 3D Cell Culture, Freiburg
2017
Thoms, S., Oyono, V., Jonczyk, R., Scheper, T., Blume, C.: Tubular-like structure formation of HUVECs in a co-cultivation system with hMSCs, Global Biotechnology Congress, Boston
Leibold, C., Jonczyk, R., Heene, S., Blume, H., Blume, C.: A Bioreactor-System for Cultivation and Quality Control of 3D-printed Vascular Grafts, BioEngineering, Boston