zum Inhalt springen
Powered by

Innovative 3D-Bioreaktoren für eine bessere Zell- und Gewebe-Qualität

Beim 12. Innovationswettbewerb Medizintechnik des BMBF gab es zwei Gewinnerprojekte aus Baden-Württemberg. Eines davon ist die neue Bioreaktor-Technologie, die am Anatomischen Institut des Tübinger Zentrums für Regenerationsbiologie und Regenerative Medizin ZRM entwickelt wird. Durch die Kultivierung in einem feinen Nebel soll die Versorgung der Zellen und Gewebe mit Nährstoffen und Sauerstoff entscheidend verbessert werden.

In Deutschland benötigen jährlich 6.000 bis 8.000 Menschen einen Hornhautersatz, um ihre Sehkraft wieder zu erlangen. Es stehen jedoch viel zu wenige Spenderhornhäute zur Verfügung. Dies liegt unter anderem daran, dass während der notwendigen Kultivierung der Gewebe in Bioreaktoren etwa 15 Prozent der Spenderhornhäute an Qualität verlieren und nicht verwendet werden können. Am Zentrum für Regenerative Medizin der Universität Tübingen wurde von Privatdozent Dr. Lothar Just und Dr. Timo Schmidt eine grundlegend neue Bioreaktortechnologie für die Kultivierung und Züchtung von Geweben entwickelt. Im Gegensatz zu anderen Techniken wird den Zellen bei diesem Verfahren das Nährmedium als feiner Nebel (Aerosol) zugeführt. Die Tröpfchen werden von einem Ultraschallzerstäuber erzeugt und sollen das kultivierte Gewebe schonend und vor allem besser mit Nährmedium und Sauerstoff versorgen. Diese neue Technik soll nun genutzt werden, um die Qualität von Hornhauttransplantaten, die vor der Transplantation am Auge zur notwendigen Qualitätskontrolle vorkultiviert werden müssen, zu verbessern. Nun wollen die Wissenschaftler gemeinsam mit Medizinern der Universitäts-Augenklinik Tübingen, Forschern aus Hannover und Industriepartnern aus Göttingen und Soest einen entsprechenden Bioreaktor für die Kultivierung von Hornhauttransplantaten und künstlichen Hornhäuten entwickeln. Somit könnte zukünftig mehr Patienten geholfen werden.

Im Nebel liegt die Zukunft

Labormuster für die Kultivierung von Hornhauttransplantaten: 1. Vernebelungs- und Kultivierungszone, 2. Hornhauttransplantat. © ZRM Tübingen

Sechs Prototypen haben Schmidt und seine Kollegen inzwischen getestet, bei deren Bau beziehungsweise Umbau sie von der Industrie unterstützt wurden, wie Schmidt erzählt: „Mit der Sartorius AG haben wir einen der weltweit größten Bioreaktor-Hersteller als Kooperationspartner, der uns speziell bei der Entwicklung der Steuerung unterstützt.“ Mit solchen Kooperationen sind für eine professionelle Geräteentwicklung die entscheidenden Weichen gestellt. Bis zum Bau eines marktfähigen Bioreaktors liegt jedoch noch viel Entwicklungsarbeit vor den Forschern, bei der sie durch den Gewinn des Innovationswettbewerbs Medizintechnik jetzt finanziell vom BMBF unterstützt werden. Das Antragsvolumen des Forschungskonsortiums umfasst 400.000 Euro, wobei die Gelder unter den Projektpartnern aufgeteilt werden. Neben dem ZRM und der Tübinger Augenklinik gehört auch eine Forschergruppe an der Universität Hannover dazu.

Prof. Dr. Thomas Scheper vom Institut für Technische Chemie der Leibniz Universität Hannover kümmert sich um die Modifizierung der Bioreaktoren. „Unsere Partner in Hannover besitzen exzellente Werkstätten und Erfahrungen in der Bioverfahrenstechnik. Sie realisieren den Bioreaktor anhand unserer Konstruktionspläne“, so Schmidt. Außerdem analysieren die Hannoveraner die Auswirkungen der Ultraschallverdampfung auf die Proteine der Nährmedien, wobei die passenden Leitproteine für die Analyse überhaupt erst einmal identifiziert werden mussten. „Wir haben uns zunächst die großen Proteine angeschaut, bei denen die Wahrscheinlichkeit der prozessbedingten Inaktivierung am größten ist“, sagt Schmidt. Das Tübinger Team untersucht die Auswirkung der Zerstäubung auf zellbiologischem Niveau, indem die Zellvitalität und Funktionalität analysiert werden.

Auch beim Ultraschall-Zerstäuber konnten die Forscher nicht direkt auf handelsübliche Geräte zurückgreifen. Ausgangsgeräte sind Zerstäuber der Boga Gerätetechnik GmbH, die in ständigem Dialog mit dem Tübinger Team für deren Anwendung optimiert werden. „Mit den vorhandenen Geräten erhalten wir einen zu hohen Energieeintrag, also muss die Stromzufuhr feinjustiert werden. Der Ultraschallzerstäuber muss in puncto Spannung, Frequenz und Verdampfungsleistung auf eine maximale Kulturmedium-Stabilität eingestellt werden. Das ist durchaus diffizil und eine der größten Herausforderungen des Ultraschallsystems“, erklärt Schmidt. Nur durch Veränderung der Einstellungen konnte die Stabilität des Mediums inzwischen schon von zwei Stunden auf mehrere Tage erhöht werden. Diesen Erfolg gilt es nun auszuweiten. „Da ist immer noch Spielraum, schließlich wollen wir auch einen wirtschaftlichen, das heißt möglichst geringen Verbrauch an Nährmedium erreichen“, sagt Schmidt.

Nahziel: statistisch auswertbare Verbesserungen

Spenderhornhaut nach der Transplantation. © Augenklinik Tübingen

Optimierungen stehen auch beim Kulturraum des Bioreaktors an. Im Moment fehlen noch etliche quantitative Untersuchungen, die das Team nun mithilfe der Fördergelder realisieren will. Das nächste kostenintensive Ziel ist es, im Rahmen des BMBF-Projekts einen optimierten Prototypen herzustellen, bei dem die Parameter Temperatur, O2- und CO2-Konzentration exakt gesteuert werden können. Nach einer erfolgreichen Evaluation des Vorhabens können die Forscher mit der BMBF-Förderung in die Verlängerung gehen. Im Folgeantrag soll dann die konkrete Produktentwicklung im Vordergrund stehen, die auch mit einer Firmengründung des Entwicklungsteams einhergehen könnte. Da die Technologie nicht nur für Kultivierung von Hornhäuten, sondern prinzipiell für alle Gewebe und Zellen geeignet ist, will das Team auch mit einer Verkleinerung des Kulturraums und mit unterschiedlichen Drücken experimentieren.

„Die Cornea ist jetzt das Leitgewebe für unsere Forschung, aber das Potenzial des neuen Bioreaktors reicht viel weiter, man könnte darin zum Beispiel auch Gewebe effizient transfizieren und somit gezielt genetisch modifizieren. Oder man könnte eine Kamera integrieren, um biologische Realtime-Untersuchungen durchzuführen“, so Schmidt. Hier spielt auch eine weitere Entwicklung des Tübinger Teams hinein. In einem anderen Projekt wurden am ZRM feuchtigkeitsspeichernde Kollagenmembranen entwickelt, die von beiden Seiten mit Zellen besiedelt werden können. Sie könnten nun kopfüber im Aerosol des Bioreaktors kultiviert werden, was das Anwendungsspektrum der Technologie noch deutlich erweitern dürfte. „Es gibt viele Gedankenstränge, die wir mit unserer Technologie angehen möchten“, sagt Schmidt zur Zukunft der Arbeiten jenseits des BMBF-Projekts.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/innovative-3d-bioreaktoren-fuer-eine-bessere-zell-und-gewebe-qualitaet