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Prof. Dr. Eric Gottwald

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3D - Zellkultursysteme

Arbeitsgebiete:

1. Entwicklung artifizieller Stammzellnischen

 

Das wohl am besten charakterisierte adulte Stammzellsystem des Menschen ist/sind die hämatopoetischen Stammzellnischen. Dieses Nischensystem wird durch eine Vielzahl von Faktoren mit unterschiedlich starkem Einfluß auf den Stammzellerhalt/Differenzierung der hämatopoetischen Stammzellen (HSC) (Abb. 1) beeinflußt. Es existiert eine Vielfalt von Modellsystemen, um die physiologischen Eigenschaften der Nische nachzubilden und zu analysieren, jedoch aufgrund des Komplexitätsgrads mit unterschiedlicher Gewichtung der Eigenschaften. Die Arbeitsgruppe 3D-Zellkultursysteme hat einen Ansatz entwickelt, der in       erster Linie die Dreidimensionalität und den Zell-Zell-Kontakt mit mindestens einer weiteren Zellpopulation in den Vordergrund stellt.  

 

Abb. 1: Hämatopoetische Stammzellen und ihre Nischen in menschlichem Knochenmark.               (Mit Erlaubnis der Nature Publishing Group, Lizenz-Nr: 4143030739379).

 

Grundlage vieler Arbeiten der Gruppe bilden die sogenannten Mikrokavitätensysteme (Abb. 2). Die Folien-basierten 3D-Zellkultursubstrate wurden am KIT entwickelt und vereinen viele Vorteile in sich, die durch das Herstellungsverfahren, das sogenannte SMART-Verfahren (Surface Modification And Replication by Thermoforming), realisiert werden können.

 

 

 

Abb. 2: Links: Schematischer Aufbau eines Mikrokavitätenarrays.                                     Rechts: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer porösen Mikrokavität, wie sie im SMART-Prozess hergestellt werden kann.

 

Auf Basis dieser Systeme versucht die AG artifizielle, hämatopoetische Stammzellnischen zu
schaffen, durch die das Verhalten der HSCs gezielt beeinflußt werden kann. Durch den Einbau von
Mikrokavitätenarrays in Mikrobioreaktoren (Abb. 3) konnte gezeigt werden, dass CD34+-Zellen über 14 Tage nicht nur ihren Stammzellmarker behalten und in Colony-Forming-Assays fast alle Kolonien bilden, die mit frisch isolierten Zellen auch gebildet werden können, sondern auch eine Expansion des Stammzellpools beobachtet werden kann.

  

Abb. 3:  Links: Mikrobioreaktor mit Mikrokavitätenarray als artifizieller Stammzellnische zur Kultur von hämatopoetischen Stammzellen.                                                                                Rechts: Co-Kultur von mesenchymalen Stammzellen und der mononunkleären Fraktion in einer Mikrokavität. Blau = Zellkerne, Grün = Vimentin.

 

In einer kürzlich erschienen Veröffentlichung in Bioengineering (https://www.mdpi.com/2306-5354/6/2/50/htm) konnten wir zeigen, dass das Schicksal einzelner Zellen in Mikrokavitäten durch Single Cell Tracking über die Zeit verfolgt werden kann (4D-Zellkulturplattform). Wir konnten so das Migrations- und Proliferationsverhalten einer ALL-Linie (KG-1a) und hämatopoetischen Stammzellen in Abhängigkeit von ihrer Mikroumgebung (verschiedene Co-Kulturen) charakterisieren.

 

 

 

 

 

Abb. 4: Verteilung von hämatopoetischen Stammzellen nach einem (oben), 14 (mitte) und 21 Tagen (unten) in Co-Kultur mit Mesenchymalen Stammzellen. Grün = CD34, rot = Zellkerne.