Untersuchungen zur Präparation komplexer Zellsysteme im Kontext neuer Therapien

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Arbeitsablauf zur Präparation komplexer, funktionaler Zellsysteme im Kontext neuer Therapien in die vier Hauptschritte Gewinnung, Aufbereitung, Kryokonservierung und Applikation eingeteilt und hinsichtlich möglicher Schädigungsmechanismen und Optimierungs-möglichkeiten untersucht. Dazu wurde ein Zellpanel aus relevanten Zelltypen mit entsprechenden Modellsystemen entwickelt und ein Algorithmus zur Protokollentwicklung und Methodenwahl abgeleitet. Vergleichende Untersuchungen von Wachstumsoberflächen und neuartigen, miniaturisierten Bioreaktoren mit Automatisierungspotenzial wurden im Hinblick auf Generierung und Verarbeitung funktionaler Mikrogewebe durchgeführt und ihre Einflüsse auf Zellen analysiert. Erstmalig wurden Raum-Zeit-Kurven einschlussimmobilisierter Bioimplantate in Hydrogelkapseln während des Polymerisationsprozesses untersucht und quantifiziert. Unter Berücksichtigung des Erhalts zellspezifischer Funktionalität, wurden neuartige Verfahren zur Kryokonservierung mit Automatisierungspotenzial entwickelt und untersucht. In miniaturisierten, tropfenbasierten Verfahren zur Vitrifikation konnten zellspezifische Eigenschaften sowie eine größtmögliche Flexibilität der Proben für die weitere Applikationen erhalten werden. Zur unmittelbaren Anwendung kryokonservierter Proben wurde eine neuartige Applikationseinheit entwickelt. Ihr Einfluss auf die Funktionalität applizierter Proben wurde anhand therapeutisch relevanter Zellen untersucht.

Within this thesis the workflow for the preparation of complex cell systems in new therapies was subdivided into the four main steps retrieval, processing, cryopreservation and application. Each step was examined in terms of damage mechanisms and screened for optimization. Therefore, a cell panel of therapeutically relevant cells and according model systems was established and an algorithm for the selection of protocols and methods was developed. Comparative investigations of growth surfaces and novel miniaturized bioreactors were performed with regard to generation and processing of functional micro tissues. Bioreactor’s potentials for automation was examined, as well as their influences on cells. For the first time, trajectories of immobilized grafts in hydrogel capsules were observed and quantified during the polymerization process. Considering the preservation of functionality, novel cryopreservation methods with the possibility for automation were established and examined. Functionality of cells was preserved in droplet-based vitrification techniques, which kept the maximal flexibility of the frozen sample. A setup was established for the direct application of vitrified samples by air pressure. Its influence on cell’s functionality was investigated by different therapeutically relevant cell systems.