Pluripotente Stammzellen im industriellen Maßstab herstellen

MHH-Forschende wollen in Rührkessel-Bioreaktoren eine größere Zellausbeute bei weniger Materialaufwand und geringeren Kosten erreichen.

Pluripotente Stammzellen (PSCs) gehören zu den vielversprechendsten Ausgangsstoffen der regenerativen Medizin. In mehr als 100 klinischen Studien werden aus PSCs gewonnene Therapien für Erkrankungen bereits untersucht - von der Parkinson-Krankheit über Herzinsuffizienz bis hin zu Typ-1-Diabetes. Doch stehen alle möglichen Anwendungen vor derselben Herausforderung: Wie lassen sich diese Zellen zuverlässig und wirtschaftlich im industriellen Maßstab herstellen, damit die Therapien zukünftig auch für die Gesundheitssysteme tragbar sind, vor allem wenn eine große Anzahl an Zellen für eine einzige Behandlung notwendig ist? Mit diesem Problem beschäftigt sich das Projekt "INDUZELL" um Prof. Dr. Robert Zweigerdt, Zellbiologe und Arbeitsgruppenleiter an den Leibniz Forschungslaboratorien für Biotechnologie und künstliche Organe (LEBAO) der Klinik für Herz-, Thorax-Transplantations- und Gefäßchirurgie an der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH). An dem Verbund sind außerdem die Leibniz Universität Hannover, die Hochschule Hannover und die Hochschule Emden/Leer beteiligt. Das Vorhaben wird vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) über drei Jahre mit rund 1,4 Millionen Euro gefördert.

Von der 2D- zur 3D-Produktion

"Pluripotente Stammzellen lassen sich als unbegrenztes, erneuerbares Rohmaterial in praktisch jeden Zelltyp umwandeln", erklärt Professor Zweigerdt. "Sie bieten daher zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten - von therapeutischen Zellprodukten in der Medizin bis zur Entwicklung besserer Wirkstoffe in der Pharmaindustrie oder der Herstellung von Fleisch für die alternative Lebensmittelproduktion." Bislang werden diese Zellen in vielen Laboren noch in Zellkulturschalen vermehrt. Diese zweidimensionale Anzucht führt zu einer verhältnismäßig geringen Ausbeute bei gleichzeitig großem Flächen- und Energiebedarf sowie viel Plastikabfall. Für eine Produktion in industriellem Maßstab eignet sie sich nicht. Die Forschenden setzen dagegen auf eine 3D-Kultivierung in industrietypischen gläsernen Rührkessel-Bioreaktoren. Die Arbeitsgruppe Zweigerdt ist weltweit führend in der Entwicklung solcher Verfahren. In ihrem Projekt entwickeln sie eine Produktionsplattform, die in einem geschlossenen System automatisiert, zuverlässig und reproduzierbar einen hohen Zellertrag bei gleichbleibender Qualität gewährleistet. "Wir wollen die Zellproduktion in Suspensionskultur optimieren und das Volumen der Bioreaktoren von derzeit zwei auf bis zu zehn Liter vergrößern", sagt der Zellbiologe.

Anzucht mit kältekonservierten Zellen

Zur Anzucht soll die 3D-Kultur direkt mit eingefrorenen Zellkonserven beimpft werden. Dieser in der Fachsprache als Kryokonservierung bezeichnete Vorgang hat gleich mehrere Vorteile: Die eingefrorenen Zellen behalten über Jahre ihre Eigenschaften, ohne dass sie sich unkontrolliert verändern können. "In unserem Fall bedeutet das, dass die PSCs so garantiert ihre Pluripotenz behalten, also die Fähigkeit, sich in andere Zellen umprogrammieren zu lassen", sagt Dr. Kevin Cyrys, Co-Antragsteller des Projektes und wissenschaftlicher Mitarbeiter der Arbeitsgruppe. Über sogenannte Cryobags gelangen die Zellkonserven keimfrei in den Rührkessel-Bioreaktor. Die Gefahr einer Verunreinigung mit Bakterien oder Pilzen wird dabei minimiert. Ein weiterer Vorteil kryokonservierter Zellen besteht darin, dass sie nicht vorkultiviert werden müssen und somit genau dann zur Verfügung stehen, wenn sie zum Animpfen der Suspension benötigt werden.

Mit KI zur "schlauen" Produktionsplattform

Eine Herausforderung der Zellproduktion in den Rührkessel-Bioreaktoren besteht darin, dass sich die Zellen dort zu vielzelligen Aggregaten zusammenschließen. Während in Kulturschalen im Verlauf nur die Anzahl der Einzelzellen zunimmt, ändert sich hier auch die Größe der Zellaggregate. Aus Einzelzellen bilden sich Klümpchen aus Hunderten oder sogar Tausenden von Zellen, die im Verbund die Eigenschaften der gesamten Zellproduktion beeinflussen. Anhand von multimodaler Mikroskopie, die gleichzeitig verschiedene Messverfahren und Bildgebungstechniken nutzt, sollen diese Einflüsse genau erfasst werden.

Mit Hilfe von KI und maschinellem Lernen soll der gesamte Produktionsprozess laufend kontrolliert und optimiert werden. Aus allen gesammelten Daten wollen die Forschenden dann eine "schlaue" Produktionsplattform ableiten, die auf unvorhergesehene Prozessabweichungen reagieren kann, selbst Verbesserungen vorschlägt und so den Zellertrag vergrößert. "Die Plattform soll so funktionieren, dass die PSC-Produktion künftig auch im großen Maßstab zuverlässig funktioniert und das bei geringen Kosten und weniger Materialaufwand", betont Professor Zweigerdt.

Text: Kirsten Pötzke

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