Anwendung additiver Fertigungstechnologien zur Realisierung medizinisch relevanter Kokulturen aus Säugerzellen und Mikroalgen

Die Wiederherstellung verlorengegangener Gewebefunktionen durch Transplantation von Zellen, häufig in Kombination mit matrixbildenden Biomaterialien, ist ein vielversprechender Behandlungsansatz für verschiedenste Erkrankungen und Gewebedefekte. Der Erfolg einer zellbasierten Therapie hängt jedoch ganz entscheidend von der Versorgung der Zellen, v. a. mit Sauerstoff, nach der Implantation ab. Im Tissue Engineering wird vorwiegend an der Entwicklung von Strategien für eine schnelle Revaskularisierung geforscht. Es gibt aber auch Ansätze, die den Kontakt der implantierten Zellen mit Komponenten des Immunsystems im Blut umgehen, um Abstoßungsreaktionen zu vermeiden, und daher alternative Strategien zur Sauerstoffversorgung erfordern. Ein Beispiel mit großer klinischer Relevanz ist die allogene (potenziell auch xenogene) Transplantation pankreatischer Langerhans-Inseln bei Diabetes Typ 1 Patienten. In ersten Kurzzeit-Experimenten konnte das große Potenzial der Nutzung von photosynthetisch aktiven Mikroalgen zur Deckung des hohen Sauerstoffbedarfs von pankreatischen Inseln demonstriert werden.

Im beantragten Projekt sollen Kokulturen aus Photosynthese-aktiven Mikroalgen und Säugerzellen mit Hilfe des Bioprinting realisiert werden (Abb. 1). Die beiden Zelltypen sollen (getrennt voneinander) in Hydrogele eingekapselt werden; durch Anwendung der additiven Fertigungstechnologie 3D-Plotten zur Formgebung werden die Vorteile einer räumlich definierten Anordnung der verschiedenen Zelltypen in einer Hydrogelmatrix mit definierter Geometrie genutzt. Darüber hinaus wird ein Bioreaktorsystem mit Lichteinkopplung und integrierter Sauerstoffsensorik entwickelt, das eine bedarfsgerechte Regelung der Photosynthese-Aktivität in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration erlaubt. Mit dem zu entwickelnden Kokultur/Bioreaktor-System sollen die Grundlagen geschaffen werden, um einerseits die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Zelltypen, den Einfluss der Sauerstoffkonzentration auf die Zellen und den Sauerstofftransport zwischen den Kompartimenten systematisch untersuchen zu können. Andererseits soll eine effiziente und langanhaltende Versorgung von Säugerzellen mit photosynthetisch erzeugtem Sauerstoff erreicht werden, so dass ein Transfer des Kokultur/Bioreaktor-Systems in Richtung einer klinischen Anwendung für die Inseltransplantation angestrebt werden kann. Für die Etablierung der Kokultur soll ein geeigneter Algenstamm identifiziert werden, der bei 37°C kultiviert werden kann und eine hohe Photosyntheseleistung hat. Es sollen Kokulturbedingungen erarbeitet werden, die den Anforderungen beider Zelltypen gerecht werden. Schwerpunktmäßig wird der Einfluss organischer Kohlenstoffquellen auf den Metabolismus der photoautrophen Algen sowie von Licht auf die heterotrophen Säugerzellen untersucht werden. Es wird erwartet, dass Ergebnisse des Projektes zum Bioprinting von Mikroalgen auch für rein biotechnologische Anwendungen wertvolle Erkenntnisse liefern.