Alginat-Mikrocarrier für die iPSC-Expansion
3D-Expansion von hiPSC auf weichen Alginat-Mikrocarriern in CERO Bioreaktoren
Dreidimensionale (3D) Zellkultursysteme verändern die Stammzellforschung und die Bioprozesstechnik. Diese Studie zeigt die erfolgreiche Anwendung von weichen Alginat-Mikrocarriern für die Expansion humaner induzierter pluripotenter Stammzellen (hiPSC) in CERO Suspensionsbioreaktoren. Diese Mikrocarrier schaffen eine physiologisch relevante, einstellbare Umgebung, die den Bedingungen im Gewebe sehr nahe kommt.
Mikrocarrier für die Stammzellkultur
Mikrocarrier sind kleine Kügelchen, auf denen adhärente Zellen wachsen, während die Kügelchen im Bioreaktor in Suspension gehalten werden. Durch das große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bietet ein Bioreaktor mit Mikrocarriern je Milliliter weit mehr Wachstumsfläche als Flaschen oder Schalen – deshalb sind Mikrocarrier der übliche Weg, die Stammzellexpansion hochzuskalieren.
Übliche Kulturoberflächen wie Polystyrol sind weit steifer als die Gewebe, aus denen die Zellen stammen. Unsere UHV-Alginat-Mikrocarrier sind weich (2–8 kPa), transparent und 100–500 µm groß, werden gebrauchsfertig ohne Vorquellen geliefert und lassen sich mit Matrigel™, Kollagen I oder Laminin beschichten.
Im CERO Suspensionsbioreaktor erreichten hiPSCs auf diesen Mikrocarriern nach vier Tagen mehr als 85 % Viabilität und mehr als 6 × 10⁶ Zellen und blieben pluripotent. Geerntet werden die Zellen durch enzymatischen Abbau des Alginats oder durch Sieben.
Abbildung 1: Alginat-Mikrocarrier. (a) Links: Schemazeichnung eines idealisierten Mikrocarriers mit seinen Bestandteilen: Alginatkügelchen aus UHV-Alginat und die Proteinbeschichtung (zum Beispiel Matrigel™ oder Kollagen I) für die Zellanhaftung. Rechts: Fluoreszenzaufnahme eines Alginat-Mikrocarriers, konfluent bewachsen mit hiPSC (Zytoplasma und Zellkerne gefärbt), Einschub: Phasenkontrastaufnahme. (b) Alginat-Mikrocarrier eignen sich für die meisten Zelltypen, die im Weichgewebe-Engineering eine Rolle spielen. Übliches Laborgerät wie Kunststoffschalen liegt beim Elastizitätsmodul weit außerhalb des Bereichs von Gewebe.
Die wichtigsten Ergebnisse
Gebrauchsfertige Alginat-Mikrocarrier unterstützen das Anheften, das Wachstum und die Bildgebung von hiPSC – ohne vorheriges Quellen.
Mechanische Eigenschaften (2–8 kPa) und Größe (100–500 µm) lassen sich auf einzelne Gewebearten abstimmen.
Nach vier Tagen Kultur erreichte die hiPSC-Expansion mehr als 85 % Viabilität und mehr als 6×10⁶ Zellen – unabhängig von der Steifigkeit der Mikrocarrier.
Die Zellen behielten Pluripotenz und normale Morphologie – bestätigt durch Mikroskopie und FACS-Analyse.
Weiche, transparente Mikrocarrier erlauben die Beobachtung in Echtzeit und eine einfache Weiterverarbeitung durch enzymatischen Abbau oder Sieben.
Vorteile der UHV-Alginat-Mikrocarrier
Einstellbare Elastizität – von hirnähnlicher bis herzähnlicher Steifigkeit.
Verträglich mit verschiedenen Beschichtungen (Matrigel™, Kollagen I, Laminin und weitere).
Geeignet für viele humane Zelltypen (hiPSC, hMSC, Kardiomyozyten, Nervenzellen, Fibroblasten, Endothelzellen).
Gut skalierbar und mit geringem Energiebedarf für die Durchmischung im Bioreaktor.
Hervorragende optische Klarheit für die Mikroskopie.
Abbildung 2: Zelladhäsion und Proliferation. Repräsentative mikroskopische Aufnahmen der Zelllinie UKBi005-A nach dem vierten Tag der 3D-Kultivierung (96 h, unmittelbar vor der Ernte) im Suspensionsbioreaktor auf Alginat-Zellgerüsten aus unterschiedlich zusammengesetzten Alginatmischungen. Der weiße Maßstabsbalken entspricht in allen Aufnahmen 500 µm.
Fazit
UHV-Alginat-Mikrocarrier sind ein leistungsfähiges Werkzeug für die skalierbare, hochwertige 3D-Expansion und -Differenzierung von Stammzellen. Ihre Flexibilität und Verträglichkeit machen sie zur idealen Wahl für die regenerative Medizin, das Tissue Engineering und die biopharmazeutische Produktion.
Alginat-Mikrocarrier für Stammzellen.
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