Organotypische Ko-Kultursysteme

In der biomedizinischen Forschung ist der Bedarf an besseren und aussagekräftigeren In-vitro-Test- und Modellsystemen gestiegen. Nachdem vor allem präklinische Daten, die in Tiermodellen erzeugt wurden, häufig nicht auf den Menschen übertragbar sind, erscheint es sinnvoll, zumindest grundlegende biologische Parameter mit humanen Zellen in organotypischen Systemen zu validieren.

Die Vorgänge bei Zelltransplantationen, u. a. parakrine Wechselwirkungen, können mit Ko-Kultur-Systemen, in denen man die Stammzellen mit dem Zielgewebe in vitro ko-kultiviert, simuliert werden. Sie bieten Analyse- und Evaluierungsmöglichkeiten sowohl für die biologische Grundlagenforschung wie auch für die Entwicklung innovativer klinischer Zellapplikationen.

In der biomedizinischen Forschung ist der Bedarf an besseren und aussagekräftigeren In-vitro-Test- und Modellsystemen gestiegen. Nachdem vor allem präklinische Daten, die in Tiermodellen erzeugt wurden, häufig nicht auf den Menschen übertragbar sind, erscheint es sinnvoll, zumindest grundlegende biologische Parameter mit humanen Zellen in organotypischen Systemen zu validieren. Vor allem im Bereich der individualisierten Medizin werden Untersuchungen zur Zell-Gewebeinteraktion im Falle von Zelltransplantationen dringend benötigt, um Aussagen über die Wirkung und den Verbleib der Spenderzellen zu treffen.

Der häufig beobachtete Nutzen einer Stammzelltherapie scheint nicht unwesentlich von parakrinen Wechselwirkungen der Stammzellen mit dem Gewebe und dem Immunsystem des Empfängers zusammenzuhängen. Eine Simulation dieser Vorgänge bieten Ko-Kultur-Systeme, in denen die Stammzellen mit dem Zielgewebe in vitro ko-kultiviert werden. Dies kann in zwei verschiedenen experimentellen Systemen bewerkstelligt werden:

I. Um eine direkte Interaktion der Zellen mit dem Gewebe zu untersuchen, werden diese direkt miteinander ko-kultiviert, so dass echte Zell-Zell-Kontakte analysiert werden können.

II. Um eine parakrine Interaktion über lösliche Wachstumsfaktoren untersuchen zu können, werden Zellen und Gewebe in einem Zwei-Kammer-System mit poröser Membran kultiviert. Hier kann ein Signal-Austausch der Stammzellen und Gewebezellen stattfinden und durch Untersuchung des Kulturmediums umfassend analysiert werden.

Anhand von kürzlich publizierten experimentellen Daten konnte bereits gezeigt werden, dass eine xenogene Ko-Kultur von verschiedenen adulten Stammzellpopulationen mit Biopsien des Rattenhirns eine neuronale Differenzierung der Stammzellen induziert, was über die Sekretion von Wachstumsfaktoren der Stammzellen und Hirnzellen ermöglicht wird (1).

Weiterhin konnte dokumentiert werden, dass die Ko-Kultur eine verstärkte Ausschüttung  immunmodulatorischer und angiogenetisch wirksamer Zytokine durch die Stammzellen bewirkt. Dies ist im Kontext von Zell-basierten Therapiestrategien vorteilhaft, da die transplantierten Zellen die Wundheilung und/oder die Gefäßneubildung beschleunigen können.

Eine Adaption des Systems für weitere Gewebe- und Zelltypen ist prinzipiell möglich, muss aber für jedes neue Gewebe entsprechend entwickelt und angepasst werden. Hierfür hat die Fraunhofer EMB zahlreiche Techniken, Methoden und  Werkzeuge entwickelt und konnte dank langjähriger Erfahrung selbst kritische Gewebe und Organe, wie Herz oder Leber, erfolgreich kultivieren. Zusätzlich können inzwischen neben Stamm- und Progenitorzellen sogar Gewebeteile (z. B. Haut) kryokonserviert werden, um die Verfügbarkeit dieser Systeme auch unabhängig vom Lieferzeitpunkt der Spendergewebe zu gewährleisten.

Mit diesen Ko-Kultur-Modellen bieten sich somit Analyse- und Evaluierungsmöglichkeiten an, die sowohl für die biologische Grundlagenforschung als auch für die Entwicklung innovativer klinischer Zellapplikationen wertvolle Einblicke geben können. 

Literatur:

(1) Petschnik AE, Fell B, Tiede S, Habermann JK, Pries R, Kruse C, Danner S. A novel xenogenic co-culture system to examine neuronal differentiation capability of various adult human stem cells. PLoS One. 2011;6(9):e24944.