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AG “BIOTESTING UND TISSUE ENGINEERING“ (Prof. C. Blume)

Leitung Prof. Dr. med. C. Blume

Post Docs: Dr. R. Jonczyk, Dr. S. ThomsDoktoranden: Kathrin von der Haar, Xenia Kraus, SebastianHeene, Nina Wichert

Forschungsschwerpunkte:

Labeling /Konditionierung mesenchymaler Stammzellen für das Tissue Engineering

In den letzten Jahren findet die Stammzelltherapie immer größere Verbreitung in der Behandlung von Verletzungen und Krankheiten. Dabei sind adulte humane mesenchymale Stammzellen ein vielversprechender Zelltyp, da sie autolog transplantiert werden können und damit im Vergleich zu nicht-autolog transplantierten Zellen geringere immunologische Reaktionen im Empfänger mit sich bringen. In einigen klinischen Studien ist aber bei der Stammzelltherapie Krebs aufgetreten. Ob dies im direkten Zusammenhang mit der Stammzelltherapie steht, oder ob es sich bei der Tumorentwicklung um Zufall handelt ist dabei ungewiss. Um dies herauszufinden müssen die Stammzellen vor einer Transplantation markiert werden, damit sie nach der Transplantation eindeutig identifiziert werden können. Hierzu wurde eine Labeling-Methode auf Basis von Nonsens-DNA entwickelt, die insbesondere den biologischen Phänotyp der Stammzellen und ihre Differenzierungsfähigkeit nicht negativ beeinflusst. Für das Einbringen des Labels in die Zellen ist auch die Methodik der Zelltransfektion entscheidend. Die transiente Transfektion mittels Elektroporation führt zu einer über mehrere Monate beständigen Genexpression und ist im Gegensatz zur lentaviralen Transduktion zellschonend.

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, welchen 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.

Bioprinting

Im Bereich des Bioprinting arbeiten wir technisch eng mit der AG „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.

Bioreaktorentwickung

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 als auch Ihrer Toxizität gegenüber humanen primären Zellen als auch Zelllinien. Für das Screening werden sowohl etablierte Assays (CTB, MTT, ECIS, Apo ONE) verwendet sowie neue Methoden etabliert, die versuchsspezifische Fragestellungen detaillierter einbeziehen. Dazu zählt die Toxizitätsbestimmung von modernen Immunsuppressiva in etablierten3D-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 zwei Doktoranden am Institut für Technische Chemie in der Nordstadt mit der Entwicklung diagnostischer Testsysteme wie Lateral Flow Assays für die Nierentransplantatabstoßung auf Basis sensitiver Antikörper und Aptamere. Dieses EFRE-geförderte Projekt ist 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.

Journal publications:

von der Haar, K., Jonczyk, R., Lavrentieva, A., Weyand, B., Vogt, P., Jochums, A., Stahl, F., Scheper, T., Blume, C. (accepted 2019): Electroporation: A sustainable and cell biology preserving Cell Labeling Method for adipogenous Mesenchymal Stem Cells, BioResearch

Thoms, S., Witt, M., Jonczyk, R., Scheper, T., Blume; C. ( submitted 2019): Dynamic-hypoxic conditioning of adipose tissue-derived mesenchymal stem cells and co-culturing with human umbilical vein endothelial cells favors endothelial network formation, Tissue Engineering and regenerative medicine.

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.

Poster:

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 (2018)

Wichert, N., Hans, S., Wahalla, M., Reinard, T., Blume, C., Blume, H.: Optogentically induced protein expression in mammalian cells, Hearing 4 All Symposium, Oldenburg (2018)

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 (2018)

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 (2018)

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 (2017)

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 (2017)