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Einfluss des Sauerstoffpartialdruckes bei Bioreaktorkultivierungen auf die Produktqualität von dreidimensionalen Knorpel-Träger-Konstrukten.
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Published: | November 11, 2003 |
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Fragestellung
Der Einsatz verschiedener Bioreaktorsysteme zur Herstellung bioartifizieller Gewebe aus lebenden Zellen, Zellmatrix und Biomaterialien könnte in der Zukunft neue Möglichkeiten zur chirurgischen Therapie von Knorpelschäden eröffnen. Im Rahmen eines Forschungsverbundes wird ein neues, an das Konzept der autologen Knorpel-Knochen-Transplantation angelegtes Bioreaktor-Verfahren entwickelt. Im ersten Schritt des Verfahrens werden körpereigene Zellen im Labor vermehrt. In einer zweiten Phase werden die Zellen auf einem Träger mit strukturierter Oberfläche in Bioreaktorsystemen kultiviert und unter Einsatz von Hormonen wird die dreidimensionale Gewebestruktur gebildet. Das in-vitro kultivierte Knorpel-Träger-Konstrukt soll dem Patienten in den Knorpeldefekt eingesetzt werden, wobei das Trägermaterial als Knochenäquivalent dient. Die hier vorgestellten Arbeiten hatten zum Ziel, durch Variation des Sauerstoffpartialdruckes und dem Einsatz verschiedener Bioreaktorkonzepte die Produktqualität der biohybriden Knorpel-Träger-Konstrukte gegenüber herkömmlichen statischen Kultivierungsmethoden zu verbessern.
Methodik
Es wurden zwei neuartige Bioreaktorkonzepte eingesetzt, in denen mittels Begasungsart, Strömung oder Überlagerung von hydrostatischem Druck unterschiedliche Kultivierungsbedingungen eingestellt werden konnten. Die Kultivierung der Implantate erfolgte aufgeteilt in zwei unterschiedlichen Kultivierungsphasen. Nach einer Biopsie zur Gewinnung der Zellen (mini pig), folgte eine Proliferationsphase in herkömmlichen T-Flaschen. Um die Knorpelsynthese wieder zu stimulieren, wurden die Zellen in Alginat immobilisiert, nach 2 Wochen Kultivierung eluiert und auf den Träger aufzentrifugiert. Die Knorpelbildung wurde zusätzlich durch die Zugabe von Hormonen angeregt. Zeitlich abhängig von der ausgewählten Kultivierungstrategie erfolgte dann die Weiterkultivierung in den Bioreaktoren. Parallel wurde jeweils eine Referenzkultivierung in 12-well-plates durchgeführt.
Die Knorpel-Träger-Konstrukte wurden am Ende auf den Gehalt an DNA und Glykosaminoglykan (GAG) untersucht. Mittels Westernblot erfolgte die Bestimmung der Art des entstandenen Kollagens was zusätzlich anhand von histologischen Untersuchungen verifiziert wurde.
Ergebnisse
Durch Reduktion der Sauerstoffkonzentration (95%, 50%, 21%, 10%, 5%) in den Bioreaktoren konnte eine Verzehnfachung der Knorpelhöhe von ca. 0,2 auf 2 mm erzielt werden. Die verbesserte Festigkeit der Knorpel-Träger-Verbindung sowie ein höheres GAG zu DNA- Verhältnis konnte ebenfalls bei niedrigerem Sauerstoffpartialdruck verzeichnet werden. Die Festigkeit der Matrix und der Knorpel-Trägerverbindung wurde durch den Einsatz der Bioreaktoren im Gegensatz zu den Referenzen im 12-well-plate verbessert.
Schlussfolgerungen
Durch die Reduktion des Sauerstoffpartialdruckes in Verbindung mit dem Einsatz von Bioreaktoren wurde die Qualität der Knorpel-Träger-Konstrukte wesentlich verbessert.
BMBF-Projekt 03N4012