Anwendung additiver Fertigungstechnologien zur Realisierung medizinisch relevanter Kokulturen aus Säugerzellen und Mikroalgen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Wiederherstellung verlorengegangener Gewebefunktionen durch Transplantation von Zellen ist ein vielversprechender Behandlungsansatz – der Erfolg hängt dabei entscheidend von der Versorgung der Zellen mit Sauerstoff ab. Ein Beispiel mit klinischer Relevanz ist die allogene Transplantation pankreatischer Langerhans-Inseln bei Diabetes Typ 1 Patienten in immunisolierenden Hydrogelkapseln. Die Kokultivierung von Säugerzellen mit photosynthetisch aktiven Mikroalgen ist ein neuer Ansatz zur Lösung des Problems der Sauerstoffversorgung bei fehlender Vaskularisierung. Die Methode des Bioprinting erlaubt dabei eine kontrollierte Anordnung der Säugerzellen und Mikroalgen ohne direkten Kontakt in einer strukturierten Hydrogelmatrix. Im Projekt wurden grundlegende Untersuchungen durchgeführt, die die Etablierung einer biogedruckten Kokultur aus Insulin-produzierenden Betazellen und Mikroalgen ermöglichte. Kokulturbedingungen. Mikroalgen benötigen Licht zur Photosynthese – die meisten Säugerzellen sind natürlicherweise nicht lichtexponiert. Untersuchungen zum Einfluss kontinuierlicher Belichtung auf Viabilität und Funktion verschiedener Zelltypen ergaben, dass rotes Licht im Gegensatz zu weißem und blauem Licht keine negativen Effekte auf die Säugerzellen hatte. Ein Kokulturmedium wurde entwickelt, dass für Mikroalgen und Betazellen geeignet ist. Eine kritische Komponente ist die für Säugerzellen essenzielle Glukose, die auch von mixotrophen Mikroalgen verstoffwechselt wird und damit die Photosynthese hemmen kann. Mikroalgenpartner. Vier thermotolerante Stämme wurden hinsichtlich Eignung für das Bioprinting und Kompatibilität mit den Kokulturbedingungen untersucht. Scenedesmus sp. zeigte als einziger Stamm keine reduzierte Photosyntheseaktivität und Viabilität unter Rotlicht und in Kokulturmedium sowie eine hohe Viabilität und Photosyntheseaktivität im biogedruckten Hydrogel; in Gegenwart von Glukose behielt er einen hohen photoautotrophen Anteil seines Stoffwechsels und wurde für die Kokultur ausgewählt. Prozessentwicklung, Proof-of-concept. Für das Bioprinting der Kokulturen und die anschließende Überführung in die Kultivierung unter Hypoxie (1% O2) wurden alle Prozessschritte und Parameter erarbeitet. Scenedesmus war in der Lage, den hypoxischen Zustand aufzuheben. Für die Modellzelllinie INS-1 konnte gezeigt werden, dass damit ihre Funktion, die Glukosestimulierte Insulinausschüttung, wiederhergestellt wurde. Für murine Langerhans-Inseln gelang dieser Nachweis noch nicht – hier konnte aber gezeigt werden, dass die Bildung nekrotischer Zonen unter Hypoxie durch die Kokultur mit Scenedesmus verhindert wird. Für die weiteren Arbeiten ist eine Regelung der O2-Konzentration entscheidend. Bioreaktorentwicklung, Modellierung. Um dies zu ermöglichen, wurden miniaturisierte Bioreaktoren mit integrierter O2-Messtechnik, Lichteinkopplung und Regelkreis entwickelt. Für die Modellierung wurden Sauerstoffbildungs/verbrauchsraten mittels Photorespirometrie ermittelt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Homogeneous and Reproducible Mixing of Highly Viscous Biomaterial Inks and Cell Suspensions to Create Bioinks. Gels, 7(4), 227.
Dani, Sophie; Ahlfeld, Tilman; Albrecht, Franziska; Duin, Sarah; Kluger, Petra; Lode, Anja & Gelinsky, Michael
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Selection of a suitable photosynthetically active microalgae strain for the co-cultivation with mammalian cells. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 10.
Dani, Sophie; Windisch, Johannes; Valencia, Guerrero Xally Montserrat; Bernhardt, Anne; Gelinsky, Michael; Krujatz, Felix & Lode, Anja
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Strain Development in Microalgal Biotechnology—Random Mutagenesis Techniques. Life, 12(7), 961.
Bleisch, Richard; Freitag, Leander; Ihadjadene, Yob; Sprenger, Una; Steingröwer, Juliane; Walther, Thomas & Krujatz, Felix
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The Oxygen Paradigm—Quantitative Impact of High Concentrations of Dissolved Oxygen on Kinetics and Large-Scale Production of Arthrospira platensis. ChemEngineering, 6(1), 14.
Franke, Sabine; Steingröwer, Juliane; Walther, Thomas & Krujatz, Felix
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Think outside the box: 3D bioprinting concepts for biotechnological applications – recent developments and future perspectives. Biotechnology Advances, 58, 107930.
Krujatz, Felix; Dani, Sophie; Windisch, Johannes; Emmermacher, Julia; Hahn, Franziska; Mosshammer, Maria; Murthy, Swathi; Steingröwer, Juliane; Walther, Thomas; Kühl, Michael; Gelinsky, Michael & Lode, Anja
