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Ein Chip unterstützt die 3D-Gewebebildung

Leber kaputt? Kein Problem, wir züchten eine neue. Diese Vorstellung schwingt bei dem Wortpaar Regenerative Medizin stets mit. Aber noch können Forscher keine Organe in der Petrischale nachbauen. Viele Zelltypen lassen sich zwar in vitro kultivieren, auch in Co-Kultur mit anderen Zelltypen, aber ein korrektes soziales und räumliches Verhalten erfordert komplexe Bedingungen, die in den gängigen Zellkultursystemen kaum zu simulieren sind. Der KITChip, der von Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt wurde, ermöglicht eine aktiv durchströmte Zellkultur und unterstützt die Selbstorganisation der Zellen in 3D. Mit intelligenten mikrotechnischen Verfahren können die Wissenschaftler damit die für den jeweiligen Zelltyp charakteristische Mikroumgebung und die damit einhergehende Umgebungsarchitektur umsetzen. Derzeit versuchen die Forscher mithilfe des KITChips Stammzellnischen nachzuempfinden, um Grundlagenforschung daran zu betreiben.

Zwei KITChip-Varianten im Laser-Scanning-Mikroskop: r- (links) und f-KITChips (rechts), die mit HepG2-Hepatomzellen angeimpft sind (Färbung: Syto 16). Oben: Aufsicht, unten: Querschnitt. © Dr. Eric Gottwald

Stammzellen sind die Zukunft der Regenerativen Medizin. Mit ihrer Hilfe könnte es zum Beispiel gelingen, geschädigte Organe zu reparieren. Denn aus ihnen kann man potenziell jeden Körperzelltyp züchten. Unter Kenntnis der richtigen Bedingungen könnten Regenerationsmediziner also schon bald Teile der Leber, der Niere oder der Milz in einer Petrischale wachsen lassen und nach Bedarf in den Körper einsetzen. So jedenfalls die Hoffnung. Die Realität schaut jedoch sehr viel komplizierter aus. Eine Körperzelle ist normalerweise in eine komplexe Umgebung eingebettet, die einerseits aus Zellen und andererseits aus der extrazellulären Matrix besteht. Letztere ist ein Gerüst aus Proteinen und Zuckern, gibt einer Körperzelle Halt und erfüllt wichtige Signalfunktionen, die eine Ordnung im Gewebe sicherstellen. Außerdem ist sie wichtig bei der Entwicklung der gewebespezifischen Infrastruktur. Wo müssen Gefäße entlang wachsen? Wohin muss der jeweilige Zelltyp wandern, damit am Ende ein funktionierendes Gefüge entsteht? „Unser KITChip unterstützt die Bildung dreidimensionaler Gewebestrukturen“, sagt Dr. Eric Gottwald vom Institut für Biologische Grenzflächen 1 (IBG 1) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). „Wir können für viele Zelltypen die Kultivierungsumgebung verbessern, indem wir die Zellen organotypisch, also dreidimensional, kultivieren.“

Geeignete Umgebungsarchitektur aufprägen

Drei KITChip-Varianten mit verschiedenen Mikrocontainertypen © Dr. Eric Gottwald

Der KITChip ist ein unscheinbares Polymer-Plättchen. Er misst gerade mal zwanzig mal zwanzig Millimeter. Die bislang hergestellten Chips weisen ein Gitternetz aus 500 bis 1.156 Mikrocontainern auf. Im derzeitigen Design bieten sie pro Mikrocontainer bis zu 10.000 Zellen Platz. Die Form der Mikrocontainer ist variabel (sie können entweder kubische oder runde Vertiefungen im Material des Plättchens darstellen). In der Folien-basierten Variante des KITChips (f-3D-KITChip) sorgen 1 Mio. Poren pro cm2 für eine hervorragende Möglichkeit zur aktiven Durchströmung der Kultur mit Nährmedium. Zur aktiven Versorgung der Chips lassen sich diese in dem jeweiligen Anwendungszweck angepasste Bioreaktoren einbauen. Diese in der Arbeitsgruppe entwickelte Peripherie erzeugt mithilfe eines Schlauch- und Pumpensystems einen geschlossenen Kreislauf, durch den die Nährlösung zirkuliert. Das verhindert eine Gradientenbildung über dem Gewebe im Chip, die häufig nicht erwünscht ist, andererseits aber auch durch Umschalten des Nährmediumflusses gezielt erzeugt werden kann.

Wie schaffen es die Forscher um Gottwald aber, die Zellen nach der Vorgabe eines natürlichen Gewebes gezielt wachsen zu lassen? „Im Gegensatz zu anderen dreidimensionalen Kultursystemen können wir unsere 3D-Kulturen nicht nur aktiv versorgen, sondern darüber hinaus auch noch die Oberflächen der verwendeten Polymere modifizieren, so dass eine geeignete Nische für (Stamm-)Zellen aufgebaut werden kann“, erklärt Gottwald. Gottwald und sein Team beschichten die poröse Folie zum Beispiel mit Kollagen, einem Polypeptid, das auch in unserem Körper die Zellen im Verband hält. In neueren Versuchen gelang es ihnen darüber hinaus, gezielte Oberflächenmodifikationen einzuführen. So führten sie mithilfe von UV-Bestrahlung Hydroxylgruppen in oberflächennahe Polymerketten der Folie ein. Diese verbessern die Adhäsion der Zellen an die Polymeroberflächen. Im Größenbereich von Mikrometern ist es nicht gerade einfach, solche komplexen Strukturen gezielt auf Kunststoffoberflächen zu bringen. Hierzu entwickelte Dr. Stefan Giselbrecht, ein Mitarbeiter, das Verfahren des sogenannten Substrate Modification And Replication by Thermoforming (kurz: SMART). Die Forscher modifizieren die Oberflächen der Folien im ebenen Zustand und erst danach zwingen sie ihnen durch Hitzeeinwirkung die gewünschte dreidimensionale Form auf.

Gezielt kultivieren durch Oberflächenmodifikationen: Im linken Bild ist die Matrix des KITChips nicht modifiziert, im rechten haben die Forscher die Struktur der Matrix gezielt verändert. © Dr. Eric Gottwald

Eine Nische für Stammzellen?

Für die Forschung im Bereich der Regenerativen Medizin ist der KITChip zukunftsweisend. „Die Zellen erkennen die von uns hergestellten Oberflächenstrukturen und siedeln sich in der Umgebung an“, sagt Gottwald. In verschiedenen Projekten konnten die Karlsruher Forscher auf diese Weise organähnlichere Gewebe herstellen als dies mit Petrischalen gelingt, zum Beispiel Lebergewebe. „Wünschenswert wäre es, die Chips aus bioresorbierbaren Polymeren herzustellen, um sie anschließend transplantieren zu können“, sagt Gottwald.

„Momentan sind wir damit beschäftigt, eine der natürlichen Nische nachempfundene Umgebung für Stammzellen zu entwickeln“, erklärt er weiter. Wie schafft man es, verschiedene Zelltypen anzusiedeln, die die Entwicklung von Stammzellen in einem künstlichen Zellverband lenken? Noch ist es reine Grundlagenforschung, was da in der interdisziplinären Arbeitsgruppe aus Biologen, Ingenieuren, Physikern und Chemikern am KIT durchgeführt wird. Aber diese Grundlagenforschung könnte der Regenerativen Medizin vielleicht irgendwann sehr nützlich sein.

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