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3-D-Kulturen: Die Zukunft der Zellkultivierung

Die Zusammenarbeit zwischen der Biotechnologie und den Ingenieurswissenschaften zu fördern, ist eines der Ziele der BioRegio STERN Management GmbH. Um sie nach Kräften voranzutreiben, wurde die "Clusterinitiative Engineering - Life Sciences - Automation", kurz ELSA, gegründet.

Als besonders erfolgreiches Beispiel einer solchen Kooperation zwischen den Branchen gilt das Reutlinger Biotechnologieunternehmen Cellendes GmbH, welches 2009 als Spin-off des NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen von den Biologen Dr. Brigitte Angres und Dr. Helmut Wurst gegründet wurde. Cellendes hat, zusammen mit Partnern, realisiert, wovon viele Biotechnologen noch träumen: Die automatisierte Herstellung von Hydrogelen zur dreidimensionalen Kultivierung von Zellen.

Um neue Medikamente gegen Krankheiten wie Krebs entwickeln zu können, muss deren Wirkung vorher an erkranktem Zellmaterial - also z.B. Krebszellen - getestet werden. Solche Zellen können heutzutage in einem künstlichen Umfeld kultiviert werden. Damit sie aber auch so reagieren wie im menschlichen Körper, muss die sie umgebende Matrix so authentisch wie möglich sein. Eine hervorragende künstliche Umgebung für die Kultivierung von Zellen hat die Cellendes GmbH mit dem 3-D-Life-Hydrogel entwickelt. Dank dessen Dreidimensionalität kommen die Forscher dem natürlichen Umfeld einer Zelle - dem Körper - näher als mit bisherigen 2-D-Modellen. Somit reagieren die Zellen im 3-D-Life-Hydrogel auch natürlicher auf die zu testenden Medikamente.

Damit solche 3-D-Kulturen der Pharmaindustrie in ausreichend großer Zahl zur Verfügung stehen, müssen sie schnell und automatisiert von Robotern hergestellt werden können. Dafür hat sich die Cellendes GmbH mit Tecan, einem der größten Hersteller von Labortechnik und Spezialanbieter für Robotertechnologie in der Automatisierung aus der Schweiz, sowie mit der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften, ZHAW, zusammen gefunden. Das gemeinsame Projekt ist innerhalb des Schweizer Kompetenzzentrums TEDD, Tissue Engineering for Drug Development and Substance Testing, entstanden.

Die Durchführung wurde mitfinanziert durch die Gebert Rüf Stiftung. "Wir haben die Reagenzien für die Gele beigesteuert, Tecan den Roboter und die ZHAW hat, unter der Leitung von Prof. Dr. Ursula Graf-Hausner, die Tests durchgeführt", sagt Dr. Brigitte Angres, Mitbegründerin und Geschäftsführerin der Cellendes GmbH. Das Projekt verlief erfolgreich und bewies, dass die schnelle automatisierte Herstellung von 3-D-Kulturen mithilfe dieses Gels möglich ist. "Mit der Übertragung der händischen Herstellung auf ein automatisiertes Hochdurchsatzverfahren haben wir einen sehr wichtigen Schritt gemacht2, ist sich die Biologin sicher.

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Ohne Automatisierung muss das Hydrogel durch Pipettieren und Mischen von Hand aus den einzelnen Reagenzien hergestellt werden. Das Gel besteht im Wesentlichen aus zwei Lösungen, die verschiedene Polymere enthalten. Diese kann man noch biomimetisch verändern, das heißt, es können verschiedene biologisch aktive Substanzen angekoppelt werden, um die natürliche Umgebung der Zellen noch besser nachzuahmen.

Eines der Polymere ist so modifiziert, dass es von Zellen gespalten werden kann, so dass sich diese im Hydrogel, ähnlich wie im Gewebe des Körpers bewegen können. Nachdem die gewünschten Zellen einer der Lösungen zugegeben wurden, können beide Polymere vermischt werden und sich durch eine chemische Reaktion zum Gel vernetzen. "Diesen Vorgang macht eigentlich jeder Forscher an seiner Laborbank per Hand, doch durch die Automatisierung wird diese Technologie auch dem Hochdurchsatz in einer industriellen Umgebung, wie der Pharmaindustrie zugänglich", erklärt Dr. Brigitte Angres. Der Roboter kann alle Reagenzien in der gewünschten Reihenfolge und dem benötigten Volumen direkt in 96-Well-Platten pipettieren. Der Zeitgewinn ist enorm.

Noch wird in der Industrie überwiegend mit 2-D-Zellkulturen gearbeitet, doch die Umrüstung auf 3-D-Kulturen ist durch solch überzeugende Testresultate auf dem Vormarsch. "Die Forschung ist auf diesem Gebiet noch relativ jung", erklärt Dr. Brigitte Angres. Für die Zukunft sei aber geplant, komplexere Kulturen aus verschiedenen Zelltypen herzustellen. "Wir arbeiten zum Beispiel daran, Tumorzellen zusammen mit Fibroblasten - sie spielen eine wichtige Rolle bei der fortschreitenden Entwicklung von vielen Tumoren - oder mit Zellen des Immunsystems zu kultivieren, eine Umgebung wie sie auch im Körper vorkommt." Auf diese Weise kommt die künstliche Umgebung für die Tumorzellen der Realität noch näher und erweckt somit die Hoffnung, mögliche neue Wirkstoffe gegen Krebserkrankungen künftig verlässlicher identifizieren zu können.

Davon ist auch der Geschäftsführer der BioRegio STERN Management GmbH, Dr. Klaus Eichenberg, überzeugt: "Die Cellendes GmbH ist ein ebenso gutes wie anschauliches Beispiel für die erfolgreiche Vernetzung von Biotechnologie und Automatisierungstechnik."

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