Die Bioreaktoren im Inkubatorsystem, mit Fluidkreislauf und mittig angeordnetem Mikroskop. (Bild: Fraunhofer ISC)
Stammzellen bieten großes Potenzial für die Entwicklung von Zelltherapien, Medikamenten und für die Erforschung von Krankheiten. Besonders die Forschung mit embryonalen Stammzellen ist aber ethisch umstritten.
Eine große Hoffnung liegt daher auf sogenannten humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (Hipscs). Diese sind embryonalen Stammzellen sehr ähnlich, werden jedoch im Labor aus adulten Zellen, die zuvor dem Bindegewebe von Erwachsenen entnommen wurden, gezüchtet und reprogrammiert.
Solche Pluripotente Stammzellen können potenziell jede Zelle oder jedes Gewebe produzieren, das der Körper zur Selbstreparatur benötigt. Zudem ist es möglich, direkt an den Zellen, die bei einer bestimmten Erkrankung betroffen sind, patientenspezifisch potenzielle Wirkstoffe zu testen.
Optimale Bedingungen bei CO2 und Scherkräften
Um den wachsenden Bedarf an Hipscs zu decken und die standardisierte Herstellung in größerer Zahl zu ermöglichen, hat ein Forscherteam des Fraunhofer ISC in Würzburg im Projekt Susi (kurz für Suspensionsinkubator) einen dynamischen Inkubator und Suspensions-Bioreaktor entwickelt, der sich für die Langzeitkultivierung dieser Stammzellen eignet. Er bietet optimale Bedingungen, wie eine Temperatur von 37 °C und eine mit 5 % CO2 gesättigte Atmosphäre, die für die Zellkultivierung erforderlich sind. Eine Schlüsselkomponente des Bioreaktors ist der Impeller oder Rührer, der die wichtigen Aufgaben des Mischens, der Belüftung sowie des Wärme- und Massentransfers im Glasbehälter zum Einstellen homogener Bedingungen innerhalb der Zellsuspension erfüllt und so eine saubere Zellvermehrung ermöglicht.
„Das Wohl der Zellen steht bei uns im Vordergrund. Dementsprechend haben wir die Komponenten unseres Bioreaktors designt und konstruiert“, erklärt Thomas Schwarz, Wissenschaftler am Fraunhofer TLZ-RT. So ist es etwa entscheidend, welche Scherkräfte beim Rühren der Kultur auf die Zellen wirken. Mithilfe von Software-Simulationen ist es den Forschenden gelungen, hier die optimalen Parameter für die Konstruktion des Impellers sowie die geeignetsten Prozessparameter zu berechnen, die dann im Bioreaktor mithilfe von Sensoren kontinuierlich in Echtzeit überwacht werden. Das erzielt eine homogene Zellsuspension – auch bei großen Zellmengen. Dementsprechend ist das Glasgefäß, das den Impeller umhaust, skalierbar.
Zellkultivierung über die Dauer von drei Monaten
Ein Fluidkreislauf, der durch eine Verschaltung von vier Ventilen ermöglicht wird, transportiert alle flüssigen Lösungen, die für die Prozesse erforderlich sind – etwa das Nährmedium – in einer sterilen Umgebung. So können die Hipscs vollautomatisch vermehrt und die Einflüsse menschlicher Interaktionen minimiert werden. Darüber hinaus umfasst der Inkubator ein mit einem Partner eigens entwickeltes Mikroskop, mit dem sich der Zustand des Nährmediums und der Zellsuspension automatisiert überwachen und auf die Bildung von unerwünschten Agglomeraten oder Zellhaufen prüfen lässt.
Ergänzend erlaubt der Einsatz von KI die Zählung der Zellen. Während der Zellkultivierung analysiert ein neuronales Netz die Zellgeometrien. „Unser modulares, funktional erweiterbares System zeichnet sich durch seine Flexibilität und seinen hohen Automatisierungsgrad aus und erlaubt eine kontrollierte Zellbehandlung. Durch den geschlossenen Kreislauf und den automatisierten Austausch der fluidischen Komponenten lassen sich Kontaminationen vermeiden“, so der Forscher. In den Inkubator des Fraunhofer TLZ-RT lassen sich verschiedene Arten von Bioreaktoren einbauen, die Ausstattung ist individuell anpassbar – eine Möglichkeit, die herkömmliche Inkubatoren üblicherweise nicht bieten.
Mit dem Bioreaktor, der als Prototyp vorliegt, ist es den Forschenden inzwischen gelungen, Zellen über die Dauer von drei Monaten zu kultivieren, ohne deren Differenzierungspotenzial zu reduzieren. Das System konnte so angepasst werden, dass verschiedene Zelldifferenzierungen aus den Kulturen möglich sind – ein Fortschritt für die Hipsc-Technologie.