Bioprozesstechnik

Zweiter Stem Cell Community Day

Am 24. April trafen sich in Düsseldorf über 150 Teilnehmern aus 16 Ländern zum "Stem Cell Community Day". Organisiert hatte die zweite Ausgabe dieses internationalen Treffens die Eppendorf AG.

Die wichtigsten aktuellen Herausforderungen der Stammzellbiotechnologie lauten: Prozessdesign, Scale-up und Produktsicherheit. © Eppendorf AG

Die Veranstaltung war voll und ganz der Bioprozesstechnik für die Kultivierung von Stammzellen gewidmet. Viele Teilnehmer haben dieses Format begrüßt, da es „eine Lücke in der europäischen Konferenzlandschaft schließt“.

Das Programm behandelte einige der wichtigsten Herausforderungen in der heutigen Stammzellbiotechnologie: Prozessdesign, Scale-up und Produktsicherheit. Nach einer herzlichen Begrüßung durch den Konferenzvorsitzenden, Professor Joaquim Cabral von der Universität Lissabon, präsentierten neun Referenten aus Wissenschaft und Industrie ihre neuesten Ergebnisse und Konzepte.

Über Prozessdesign, Scale-up und Produktsicherheit 

Die Experten vor Ort waren sich einig, dass die Expansion und Differenzierung von Stammzellen im großen Maßstab für die Entwicklung und Herstellung zellbasierter Therapien und Werkzeuge für die Wirkstoffforschung andere Kultursysteme erfordert, als herkömmliche Flaschen oder Schalen. In den Präsentationen wurde deutlich, dass Bioingenieure schon während der Forschungs- und Prozessentwicklungsphase an die Herstellung denken: Wie kann der Prozess in späteren Stadien regulatorischen Standards entsprechen, Qualitätskriterien erfüllen und kommerziell tragfähig sein?

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Gewinner der Posterpreise. Von links nach rechts: Leopold König von TissUse GmbH (Platz 2), Lucas-Sebastian Spitzhorn vom Heinrich-Heine-Universitätsklinikum Düsseldorf (Platz 3), Konferenz Chair Prof. Joaquim Cabral, Dr. Karl Rix, Vice President Business Unit Bioprocess von Eppendorf, und Carolin Halloin von der MH Hannover (Platz 1). © Eppendorf AG

Vorausdenken beginnt mit der Entwicklung von Prozessen, die frei von tierischen Produkten sind – und geht mit der Etablierung robuster Differenzierungsprotokolle weiter. Professor Sean Palecek von der University of Wisconsin-Madison, USA, hob diese beiden Aspekte in seinem Vortrag hervor. Für ihn ist die Kontrolle der Stammzelldifferenzierung in vitro eine wichtige Voraussetzung für die zuverlässige Produktion qualitativ hochwertiger Zellen. Differenzierungsprotokolle müssen frei von tierischen Bestandteilen sein, um den regulatorischen Anforderungen zu genügen und idealerweise ohne rekombinante Wachstumsfaktoren auskommen, um die Kosten niedrig zu halten. Mit Daten zur Differenzierung von humanen induziert-pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) zu Kardiomyozyten sowie anderen Zelltypen des Herzgewebes, zeigte Palecek eindrucksvoll die Machbarkeit dieses Vorhabens.

In seinem Keynote-Vortrag „Propelling hiPSC-cardiomyocyte and macrophage production forward“ hob Robert Zweigerdt von der MH Hannover eine weitere Herausforderung auf dem Weg zum klinischen Einsatz von hiPSC-abgeleiteten Zellen hervor – die Produktion von hohen Zellzahlen. Ein Teil der Antwort liegt in der Optimierung des Prozessmodus`. Zweigerdts Team zeigte, wie die Zellausbeute gesteigert werden kann, indem Prozessparameter wie pH-Wert und Glukosekonzentration, sowie die Konzentrationen von Nähr- und Nebenprodukten in einem Perfusionsprozess kontrolliert werden.

Wie können Stammzellbioprozesse weiter verbessert werden?

Das Quality-by-Design (QbD)-Prinzip, das unter dem Einfluss von Regulierungsbehörden in der Herstellung von Biologika immer häufiger Anwendung findet, wird zunehmend auch in der Kultur von hiPSCs und mesenchymalen Stammzellen (MSCs) adaptiert. Das erforderliche Prozessverständnis wird oft mit Hilfe von fortschrittlichen experimentellen Strategien wie der statistischen Versuchsplanung (Design of Experiments) aufgebaut. Das Team um Ricardo Baptista vom Londoner Exzellenzzentrum „The Cell and Gene Therapy Catapult“ hat einen Screening-Ansatz für die Expansion von Stammzellen in zwei- und dreidimensionalen Kultursystemen und Strategien für den Scale-Up entwickelt. Qasim Rafiq vom University College London erläuterte die Notwendigkeit, von unkontrollierten Prozessen in Spinnerflaschen zu Bioreaktoren zu wechseln, da diese Prozesskontrolle und Prozessdesign ermöglichen. Darüber hinaus betonte er die Notwendigkeit relevanter Scale-Down-Modelle und von Automatisierung. In der Prozessentwicklung erlaube dies den Durchsatz zu erhöhen und die Kosten von Ressourcen zu reduzieren, so Rafiq. Im Herstellungsprozess sei das Fernziel, durch Automatisierung menschliche Fehler auszuschließen.

Zell-basierte Therapien erfordern ganzheitliche Sichtweisen 

Viele Redner machten deutlich, dass die Stammzellbiotechnologie nicht isoliert betrachtet werden könne. Die Entwicklung erfolgreicher zellbasierter Therapien erfordere vielmehr eine ganzheitliche Sicht auf den Prozess, beginnend mit der Isolierung von Zellmaterial aus Patienten und der Entwicklung von Zellbanken, über Upstream- und Downstream-Bioprocessing, bis hin zur Kryokonservierung und der Abgabe der Zellen an die Patienten in den Kliniken. Karen Coopman von der Loughborough University, UK, gab ein interessantes Beispiel: Ihre Gruppe fand heraus, dass die experimentellen Bedingungen während des Bioprozesses, zum Beispiel die Anwesenheit oder Abwesenheit von Serum, die Vitalität der Zellen nach dem Auftauen beeinflussen können, trotz der Verwendung eines einheitlichen Einfrierprozesses. Mit diesem Beispiel unterstrich Coopman die Nützlichkeit einer ganzheitlichen Sicht auf den Prozess, wie z. B. die Berücksichtigung von Komponenten in einem späten Stadium (z. B. Kryokonservierung) schon während der frühen Entwicklungsstadien (z. B. Zelllinien- und Mediumselektion).

Konzepte für die Wirkstoffforschung 

Aus Stammzellen differenzierte Zelltypen werden nicht nur in zellbasierten Therapien eingesetzt. Die Teilnehmer des Stem Cell Community Days erfuhren auch von der Verwendung in zellbasierten Assays. Arie Reijerkerk von Ncardia BV, Niederlande, präsentierte ein Assay-System basierend auf hiPSC-abgeleiteten Kardiomyozyten zum Test der Sicherheit und Effizienz von Wirkstoffen. Auch in dieser Anwendung ist die Definition und Identifizierung von kritischen Prozessparametern und kritischen Qualitätsmerkmalen entscheidend, um die Funktionalität und gleichbleibende Qualität des Produktes zu gewährleisten. 

Nicht nur einen Gewebetyp zu analysieren, sondern einen „Patienten auf dem Chip“ ist das Ziel der TissUse GmbH in Berlin (s. Beitrag aus LABO 9/2017, Anmerkung d. Redaktion). Anja Ramme präsentierte das faszinierende Konzept der Multi-Organ-Chips. Hier werden 3D-Organ-Äquivalente ko-kultiviert. Sie sind durch ein mikrofluidisches System miteinander verbunden, das das Blutgefäßnetz im Menschen nachahmt und so einen physiologischen Kontakt zwischen den Organäquivalenten ermöglicht.

Fazit

Der zweite internationale Stem Cell Community Day brachte Experten aus der Stammzellbiotechnologie aus Wissenschaft und Industrie zusammen. Die Teilnehmer genossen aufschlussreiche Präsentationen und den Austausch von Ideen und Diskussionen mit Experten auf diesem Gebiet, die dabei helfen, die aktuellen und zukünftigen Herausforderungen der Stammzell-Bioprozesstechnik besser zu verstehen. 


AUTORIN

Dr. Ulrike Becken
Eppendorf AG
Bioprocess Center

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