Kryokonservierung und Kryotechnik für die regenerative Medizin

Die Forschungsgruppe beschäftigt sich mit der Entwicklung einer sicheren und effektiven Kryokonservierung sowie neuen Einfrier- und Auftaumethoden für die Langzeitlagerung und dem Biobanking von Zellen sowie nativem und künstlichem Gewebe (Tissue-Engineering Konstrukte). Unser Ziel ist, die Verfügbarkeit (ready-to-use) von klinisch-relevanten Zellen und Geweben für die Forschung (Medikamentenentwicklung und Testung) und klinische Anwendungen (Gewebe- und Organregeneration) zu gewährleisten. Unsere Forschungs-aktivitäten werden im Rahmen nationaler und internationaler Projekte durchgeführt.

Forschung

Die Forschungsschwerpunkte der Gruppe sind nachfolgend zusammen gefasst:

Untersuchung optimaler Einfrier- und Auftauparameter sowie neuer xenofreier, nicht-toxischer Einfrierbedingungen mit dem Ziel, eine hohe Zellvitalität und Funktionalität kryokonservierter Materialien (klinisch relevante Zellen, Gewebe und Tissue Engineering Konstrukte) nach dem Auftauen zu gewährleisten. Die Kryokonservierung erfolgt u.a. in Multiwell-Platten und Kryobeuteln (cryobags).

Entwicklung von Methoden zur induzierten (aktiv gesteuerten) Eisnukleation bei optimalen Temperaturen mittels Elektrofreezing. Die Durchführung der Eiskristallbildung bei optimalen Temperaturen während des Einfrierens soll die Zellvitalität und Funktionalität erhöhen. Um die Verwendung toxischer Gefrierschutzmittel, wie z.B. Dimethylsulfoxid zu vermeiden, werden eigentlich nicht membrangängige Gefrierschutzmitteln wie Zucker mittels Elektroporation in die Zellen eingebracht (in Kooperation mit Prof. Dr. Miklavčič, Universität Ljubljana, Slowenien).

Entwicklung von Methoden zur Visualisierung und Analyse der Eiskristallbildung, des Eiswachstums und der Eisrekristallisation während des Einfrierens und Auftauens, um die Vorgänge während der Kryokon-servierung zu untersuchen und neue Gefrierschutzmittel für ein effizientes Biobanking zu entwickeln.

Mikroskopie-basierte Bildgebung und Analyse während der Kryokonservierung, Gefriertrocknung und dem Auftauen von Zellen und Geweben sowie Bildverarbeitung und Bildsegmentierung (inkl. Deep Neuronal Networks). In Kooperation mit der Abteilung Biomedizintechnik der Kharkiv National University for Radioelectronics (Prof. Oleh Avrunin) entwickeln wir Software-basierte Methoden für die Bildanalyse.

Zellschutz durch Alginat-Verkapselung. Alginat-Hydrogele (Solide und multistrukturelle Beads, koaxiale Core-Shell Alginat-Kapseln) werden mittels Elektrospraying- und Airflow-Verfahren hergestellt. Die Alginat-Membran schützt die eingekapselten Zellen vor externen Scherkräften. Durch ihre Semipermeabilität können die Alginat-Kapseln Gefrierschutzmittel aufnehmen und so schädliche Vorgänge während der Eiskristallbildung und -wachstum reduzieren. Alginat-Hydrogele werden u.a. für die Medikamentenentwicklung und -Testung verwendet werden.

Rheologische Analyse von Gefrierschutzlösungen und Untersuchung ihres Einflusses auf die Zellen während der Vorbehandlung, des Einfrierens, der Lagerung und des Auftauens.

Analyse von biochemischen Veränderungen, Zell-Zell- und Zell-Gerüst-Interaktionen während des Einfrierens, Auftauens und der Gefriertrocknung; Untersuchung der Diffusion von Gefrierschutzmittel in Zellen und Geweben bei dynamischen Bedingungen in Diffusionskammern.

Analyse von genetischen und epigenetischen Veränderungen in kryokonservierten Zellen und Geweben. Ziel ist die Minimierung dieser Effekte, um die Sicherheit der entwickelten Kryo¬kon¬ser-ierungsprotokolle für die Langzeitlagerung von klinisch relevanten Stammzellen und Geweben zu gewährleisten.

Untersuchung der hypothermen Lagerung von zellbesiedelten elektrogesponnen Konstrukten mit dem Ziel, eine hohe Zellvitalität und Funktionalität der konservierten Tissue-Engineering Konstrukte unter hypothermen Bedingungen zu ermöglichen. Vergleichend erfolgt für diese Konstrukte parallel die Konservierung unter kryogenen Bedingungen.

Die Forschungsgruppe ist interessiert an Auftragsforschung für die Industrie, internen und externen Partnern in Bezug auf die Nutzung der Geräte, Austausch von Know-How und die Entwicklung neuer Methoden in der Kryotechnik. Die folgenden Geräte und Methoden können nach Anfrage genutzt werden:
Methoden für die Bildgebung und Analyse von Zellen und Gewebe

  1. Fluoreszenzmikroskop Zeiss Axiovert 200M – motorisiertes inverses Mikroskop mit Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung für langzeitige Zellkultivierung
  2. Raman/AFM Mikroskop – Strukturelle, kompositionelle und oberflächliche Analyse von Materialien (Laser 532 nm), 3D Bildgebung, AFM Kontakt- und AC-Modus, Time Series, Image Stitching
  3. Spektrophotometer Biochrom Libra S22 – Bereich der Wellenlängen 190-1100 nm
  4. Dynamische Differenzkalorimetrie (Netzsch) – Analyse der Membranstabilität, Glasübergang und Wärmekapazität bei tiefen Temperaturen
  5. Kryo-Rasterelektronenmikroskop. Rasterelektronenmikroskop JEOL JSM-IT500LA mit Kryopreparationssystem Quorum PP3010T und JEOL-EDX-System. Geeignet für rasterelektronenmikroskopischen Untersuchung von feuchtem Material und Flüssigkeiten im Tieftemperaturbereich ( < -130°C)
    Analyse der Zellvitalität und Funktionalität
  6. Cell Viability Analyzer Beckman Coulter Vi-Cell XR – automatisierte und effiziente Analyse der Zellvitalität mittels Trypan-Blau-Färbung
  7. Beckman Coulter Counter Multisizer 3: Zellvolumenanalyse während Zugabe und Auswaschen der Gefrierschutzmittel
    Untersuchung von Gefrierschutzlösungen
  8. Rheometer (Rheometrics Fluids Spectrometer RFS II) – viskoelastische Eigenschaften von Hydrogellen, Analyse der dynamischen Viskosität von Flüssigkeiten, Temperaturbereich 0°C-100°C, unterschiedliche Messsysteme (Platte-Platte-, Kegel-Platte- und Zylinder-Geometrien).
  9. Rotationsviskosimeter HAAKE VT500/VT501 – Messsysteme NV, MV1, MV2, MV3, Temperatur-Regelung mit einem externen Bad möglich.
    Methoden der Kryokonservierung:
  10. Flüssigstickstoff-Abteilung (Die Forschungsgruppe ist für die Schulung der NIFE-Mitarbeiter in Bezug auf Nutzung des Flüssigstickstoff zuständig)
  11. Controlled-Rate Freezer: Asympote VIA Freeze Research (Sterling-Prozess, mobile Station, Betrieb ohne LN2), Planer Kryo 560-16, Askion Workbench C-Line WB230
  12. Kryomikroskopie: Zeiss Axio Imager M1 m Mikroskop mit Linkam Kryotisch (Gefriertrocknung FDCS 196 und gerichtete Erstarrung GS350 (Linkam, UK), Analyse der Eiskristallbildung, Eisrekristallisation, Adapter für RAMAN Mikroskop, Long-Distance-Objektive, Eisbildung unter dem Mikroskop.
GRUPPENLEITUNG
Prof. Prof. h.c. Dr.-Ing., M.Sc.
Birgit Glasmacher
Direktorin
Institut für Mehrphasenprozesse
M.Sc.
Ghiath Alkurdi
Doktorand
M.Sc.
Sven-Alexander Barker
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Technische Mitarbeiterin
Julia Guewa
M.Sc.
Diaa Khayyat
Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Publikationen (ausgewählt, 2016-2021)

  1. S.-A. Barker, B. Glasmacher, O. Gryshkov. Validating the Cryopreservation of Tissue Engineered Constructs within Cryobags. Conference proceedings 4th International Symposium on Pharmaceutical Engineering Research. 15 – 17 September 2021, TU Braunschweig - Center of Pharmaceutical Engineering, pp. 46-49.
  2. O. Gryshkov, V. Mutsenko, S. Leal-Marin, E. Riabchenko, S.-A. Barker, D. Khayyat, M. Tymkovych, A.Yu. Petrenko, O. Avrunin, D. Miklavcic, B. Glasmacher. Tissue Cryopreservation: novel trends, methods and research highlights. Electroporation, Proceedings Electroporation-Based Technologies and Treatments, 2021,9, ISBN 978-961-243-423-6
  3. D. Khayyat, B. Glasmacher, O. Gryshkov. Effect of cryopreservation on the integrity of coaxial alginate capsules. Conference proceedings 4th International Symposium on Pharmaceutical Engineering Research. 15 – 17 September 2021, TU Braunschweig - Center of Pharmaceutical Engineering, pp. 28-31.
  4. O. Gryshkov, V. Mutsenko, D. Tarusin, D. Khayyat, O. Naujok, E. Riabchenko, Y. Nemirovska, A. Danilov, A.Yu. Petrenko and B. Glasmacher. Coaxial Alginate Hydrogels: From Self-Assembled 3D Cellular Constructs to Long-Term Storage. Int J Mol Sci 2021;22(6): 3096. doi: 10.3390/ijms22063096. accepted on 15.03.2021.
  5. M. Tymkovych, O. Gryshkov, K. Selivanova, V. Mutsenko, O. Avrunin, B. Glasmacher. Application of Artificial Neural Networks for Analysis of Ice Recrystallization Process for Cryopreservation. In: Jarm T., Cvetkoska A., Mahnič-Kalamiza S., Miklavcic D. (eds) 8th European Medical and Biological Engineering Conference. EMBEC 2020. IFMBE Proceedings, vol 80. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-64610-3_13.

6. M. Tymkovych, O. Gryshkov, O. Avrunin, K. Selivanova, Y. Nosova, V. Mutsenko, N. Shushliapina, B. Glasmacher. Application of SOFA Framework for Physics-Based Simulation of Deformable Human Anatomy of Nasal Cavity. In: Jarm T., Cvetkoska A., Mahnič-Kalamiza S., Miklavcic D. (eds) 8th European Medical and Biological Engineering Conference. EMBEC 2020. IFMBE Proceedings, vol 80. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-64610-3_14.

7. V. Mutsenko, M. Chasnitsky, V. Sirotinskaya, M. Müller, B. Glasmacher, I. Braslavsky, O. Gryshkov. Directional Freezing of Cell-Seeded Electrospun Fiber Mats for Tissue Engineering Applications. In: Jarm T., Cvetkoska A., Mahnič-Kalamiza S., Miklavcic D. (eds) 8th European Medical and Biological Engineering Conference. EMBEC 2020. IFMBE Proceedings, vol 80. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-64610-3_45.

8. O. Gryshkov, V. Mutsenko, J. Dermol-Černe, D. Miklavčič, B. Glasmacher. Electroporation of Cell-seeded Electrospun Fiber Mats for Cryopreservation. In: Jarm T., Cvetkoska A., Mahnič-Kalamiza S., Miklavcic D. (eds) 8th European Medical and Biological Engineering Conference. EMBEC 2020. IFMBE Proceedings, vol 80. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-64610-3_55.

9. S. Leal-Marin, T. Kern, N. Hofmann, O. Pogozhykh, C. Framme, M. Börgel, C. Figueiredo, B. Glasmacher, O. Gryshkov. Human Amniotic Membrane: A review on tissue engineering, application, and storage. J. Biomed. Mater. Res. B 2020, 1-18, https://doi.org/10.1002/jbm.b.34782.

10. D. Pogozhykh, D. Eicke, O. Gryshkov, W.F. Wolkers, K. Schulze, C.A. Guyman, R. Blasczyk, C. Figueiredo. Towards Reduction or Substitution of Cytotoxic DMSO in Biobanking of Functional Bioengineered Megakaryocytes. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21(20), 7654, doi.org/10.3390/ijms21207654.

11. O. Pogozhykh, N. Hofmann, O. Gryshkov, C. von Kaisenberg, M. Mueller, B. Glasmacher, D. Pogozhykh, M. Börgel, R. Blasczyk, C. Figueiredo. Repeated freezing procedures preserve structural and functional properties of amniotic membrane for application in ophthalmology. Int J Mol Sci.2020;21(11): 4029, doi: 10.3390/ijms21114029.

12. V. Mutsenko, S. Knaack, L. Lauterboeck, D. Tarusin, B. Sydykov, R. Cabiscol, D. Ivnev, J. Belikan, A. Beck, D. Dipresa, A. Lode, T.El. Khassawna, M. Kampschulte, R. Scharf, A.Yu Petrenko, S. Korossis, W.F. Wolkers, M. Gelinsky, B. Glasmacher, O. Gryshkov. Effect of 'in air' freezing on post-thaw recovery of Callithrix jacchus mesenchymal stromal cells and properties of 3D collagen-hydroxyapatite scaffolds. Cryobiology 2020;92: 215-230, doi: 10.1016/j.cryobiol.2020.01.015.

13. F. Bajerski, A. Bürger, B. Glasmacher, E.R.J. Keller, K. Müller, K. Mühldorfer, M. Nagel, H. Rüdel, T. Müller, J. Schenkel, J. Overmann. Factors determining microbial colonization of liquid nitrogen storage tanks used for archiving biological samples. Appl Microbiol Biotechnol. 2020;104(1): 131-144.

14. V. Mutsenko, A. Barlič, T. Pezić, J. Dermol-Černe, B. Sydykov, W.F. Wolkers, I. Katkov, D. Miklavčič, B. Glasmacher, O. Gryshkov. Me2SO- and serum-free cryopreservation of mesenchymal stromal cells using electroporation of sugars. Cryobiology 2019;91: 104-114.

15. O. Gryshkov, M. Müller, S. Leal-Marin, V. Mutsenko, S. Suresh, V.M. Kapralova, B. Glasmacher. Advances in the application of electrohydrodynamic fabrication for tissue engineering. J. Phys. Conf. Ser. 2019;1236 012024, doi 10.1088/1742-6596/1236/1/012024.

16. V. Mutsenko, O. Gryshkov, O. Rogulska, A. Lode, A.Yu. Petrenko, M. Gelinsky, B. Glasmacher, H. Ehrlich. Chitinous Scaffolds from Marine Sponges for Tissue Engineering. In: A.H. Choi, B. Ben-Nissan (eds.) (2018). Marine-Derived Biomaterials for Tissue Engineering Applications, Springer Series in Biomaterials Science and Engineering (SSBSE) 2019: 285-307, doi 10.1007/978-981-13-8855-2_13.

17. Patent DE 10 2018 100 844 (2019, pending), Process for freezing of biological cells and/or tissue in a fluid.

18. M.V. Prykhodko, M.Y. Tymkovych, O.G. Avrunin, V.V. Mutsenko, O. Gryshkov, B. Glasmacher. Image processing for automated microscopic analysis of ice recrystallization process during isothermal annealing. Int J Bioelectromagnetism 2018;20(1): 72-75.

19. M.Yu. Tymkovych, O.G. Avrunin, V.G. Paliy, M. Filzow, O. Gryshkov, B. Glasmacher et al. Automated method for structural segmentation of nasal airways based on cone beam assisted computed tomography. Proceedings of SPIE, Chapter: 10445, Editors: Romaniuk Ryszard S., Linczuk Maciej, pp.104453F, doi: 10.1117/12.2280922.

20. V.M. Mutsenko. Cryopreservation of mesenchymal stromal cells within tissue engineering approaches (2019). PhD thesis, Hannover Medical School, Hannover.

21. V.V. Mutsenko, V.V. Bazhenov, O. Rogulska, D.N. Tarusin, K. Schütz, S. Brüggemeier et al. 3D chitinous scaffolds derived from cultivated marine demosponge Aplysina aerophoba for tissue engineering approaches based on human mesenchymal stromal cells. Int J Biol Macromol. 2017;104(B): 1966-1974.

22. V.V. Mutsenko, O. Gryshkov, L. Lauterboeck, O. Rogulska, D.N. Tarusin, V.V. Bazhenov et al. Novel chitin scaffolds derived from marine sponge Ianthella basta for tissue engineering approaches based on human mesenchymal stromal cells: Biocompatibility and cryopreservation. Int J Biol Macromol. 2017;104(B): 1955-1965.

23. A. Chatterjee, D. Saha, H. Niemann, O. Gryshkov, B. Glasmacher, N. Hofmann. Effects of cryopreservation on the epigenetic profile of cells. Cryobiology 2017;74: 1-7.

24. L. Lauterboeck, W.F. Wolkers, B. Glasmacher. Cryobiological parameters of multipotent stromal cells obtained from different sources. Cryobiology 2017;74: 93-102.

25. D. Pogozhykh, Y. Pakhomova, O. Pervushina, N. Hofmann, B. Glasmacher, G. Zhegunov. Exploring the Possibility of Cryopreservation of Feline and Canine Erythrocytes by Rapid Freezing with Penetrating and Non Penetrating Cryoprotectants. PLoS ONE 2017;12(1): e0169689, DOI: 10.1371/journal.pone.0169689.

26. L. Lauterboeck, D. Saha, A. Chatterjee, N. Hofmann, B. Glasmacher. Xeno-free cryopreservation of bone marrow derived multipotent stromal cells from Callithrix jacchus. Biopreserv Biobank. 2016;4(6): 530-538.

27. A. Chatterjee, D. Saha, B. Glasmacher, N. Hofmann. Chilling without regrets: Deciphering the effects of cryopreservation on the epigenetic properties of frozen cells will benefit the applications of cryotechnology. EMBO Reports 2016;17: 292-295.

28. A. Chatterjee. Effects of cryopreservation on histone posttranslational modifications of stem cells (2016). PhD Thesis, Hannover Medical School, Hannover.

29. D. Saha. Effect of cryopreservation procedures on the viability, genetic and epigenetic stability of multipotent stromal cells (2016). PhD thesis, Hannover Medical School, Hannover.

30. L. Lauterböck. Cryopreservation of stem cells using induced nucleation (2016). PhD thesis Hannover Medical School, Hannover.

31. A. Repanas, L. Lauterboeck, D. Marvilas, B. Glasmacher. Polycaprolactone and polycaprolactone/ chitosan electrospun scaffolds for tissue engineering applications. Sch J App Med Sci. 2016:4(1C): 228-232.

32. O. Gryshkov. High voltage encapsulation of multipotent stromal cells in alginate (2015). PhD thesis, Hannover Medical School, Hannover.

33. O. Gryshkov, N. Hofmann, L. Lauterboeck, D. Pogozhykh, T. Mueller, B. Glasmacher. Multipotent Stromal Cells Derived from Common Marmoset Callithrix Jacchus within Alginate 3D Environment: Effect of Cryopreservation Procedures. Cryobiology 2015:71(1): 103-111.

34. L. Lauterboeck, N. Hofmann, T. Mueller, B. Glasmacher. Active control of the nucleation temperature enhances freezing survival of multipotent mesenchymal stromal cells. Cryobiology 2015;17(3): 384-390.

35. N. Hofmann, H. Sun, A. Chatterjee, D. Saha, B. Glasmacher. Thermal Pretreatment Improves Viability of Cryopreserved Human Endothelial Cells. Biopreserv Biobank. 2015;13: 348-355

weiterlesen
Schlagwörter
Wärme- und Stofftransport, Biobanking, Kryokonservierung von Gewebe, kontrolliertes Einfrieren, Gefriertrocknung, gerichtete Erstarrung, Kryomikroskopie, Gefrierschutzmittel, xeno-freie Kryokonservierung, elektroporationsgestützte Beladung mit Zuckern, Diffusion von Gefrierschutzmittel
Kontakt

Janina Hagedorn

+49 511 762 3822

hagedorn(at)imp.uni-hannover.de

NIFE
Stadtfelddamm 34
30625 Hannover

LUH
Institut für Mehrphasenprozesse
An der Universität 1
Gebäude 8143, 2.OG, Büro 211, 30823 Garbsen

Specials

Auszeichnungen

  1.  Leibniz Young Investigator Grant für Dr. Vitalii Mutsenko, Projekt „Electroporation-assisted biopreservation of 3D Tissue-Engineered Constructs with improved heat transfer” (2020-2022).
  2. Auszeichnung (2. Platz ) für bestes Foto “Directionally grown crystals of DMSO” (für Vitalii Mutsenko), Fotowettbewerb der Society for Low Temperature Biology, Seville, Spanien (2019)
  3. Ehrenprofessur für Prof. Glasmacher von der Kharkiv National University of Radioelectronics in der Ukraine (2018)
  4. Best Abstract Award der Society for Cryobiology (für Vitalii Mutsenko), Madrid, Spanien (2018)
  5. Minerva Short-Term Research Grant (für Vitalii Mutsenko), Hebrew Universität Jerusalem, Israel (2018)
  6. Aufenthaltsstipendium des IP@Leibniz Programms (für Vitalii Mutsenko), Technological Educational Institute of Thessaly, Larissa, Thessalia, Griechenland (2017)
  7. Aufenthaltsstipendium des IP@Leibniz Programms (für Vitalii Mutsenko), Universität Ljubljana, Slowenien (2017)
  8. Nachwuchspreis für besondere wissenschaftliche Leistungen (für Oleksandr Gryshkov), Deutscher Kälte- und Klimaverein, Kassel, Deutschland (2016)
  9. Student Travel Award von Society for Cryobiology (to Vitalii Mutsenko), Ottawa, Canada (2016)
Lehre

Vorträge

  1. B. Glasmacher*. “Life from the Ice”: Cell viability after cryopreservation. Cryopreservation for Regenerative Medicine Workshop 2021 in the framework of the Canadian Stem Cell Network - Online workshop, part 1, session 2, 05.05.2021.
  2. B. Glasmacher, V. Mutsenko, T. Rittinghaus, D. Miklavčič, O. Gryshkov*. Cells surviving the ice age. SLTB 2019 - Annual Meeting of the Society for Low Temperature Biology, 03-04 October 2019, Seville, Spain
  3. O. Gryshkov*. Advances in the application of electrohydrodynamic fabrication for tissue engineering. International Conference on Emerging Trends in Applied and Computational Physics, ETACP-2019, 21-22.03.2019, Saint-Petersburg, Russian Federation
  4. O. Gryshkov*. On advancing cooperation with Ukraine. 1st International Scientific and Practical Conference “Information Systems and Technologies in Medicine”, 28-30.11.2018, Kharkiv, Ukraine
  5. V. Mutsenko, D. Tarusin, D. Zaragotas, A. Simaioforidou, C. Rozanski, B. Sydykov, D. Ivnev, O. Gryshkov, E. Anastassopoulos, B. Glasmacher*. Application of infrared video thermography for monitoring of freezing/thawing events within 3D collagen-hydroxyapatite scaffolds. SLTB 2018 - Annual Meeting of the Society for Low Temperature Biology, 06-07 September 2018, Prague, Czech Republic
  6. B. Glasmacher. Cell and Tissue Banking, 25th Annual Meeting European. Orthopaedic Research Society (EORS 2017), München, Germany, 13-15.09.2017
  7. O. Gryshkov*. Advances in biomedical engineering: own and cooperation highlights. The German-Ukrainian Forum for Young Researchers, 07-12.02.2017, Kharkiv, Ukraine
Weitere Zusatzinfos

Weitere Forschungsthemen und Innovationen der Forschungsgruppe “Kryotechnik” des Instituts für Mehrphasenprozesse sind hier aufgeführt: imp.uni-hannover

crossmenu