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Microfluidic-assisted fabrication of artifical microniches for bone marrow stem cells

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Längeres Überleben humaner Stammzellen in künstlicher Stammzellnische

Regenerative Stammzelltherapien könnten die Lösung für viele bislang unheilbare Krankheiten sein – angefangen bei der Regeneration von Zahnschmelz bis zur Behandlung von Herzinsuffizienz. Das EU-finanzierte Forschungsprojekt MicroNICHE entwickelte eine spezielle Mikroumgebung, um diese lebenswichtige Pluripotenz (stemness) von Zellen zu erhalten und damit die Differenzierung zu therapeutischem Gewebe oder Organen zu ermöglichen.

Gesundheit

Hämatopoetische Stammzellen (HSC) werden im Knochenmark gebildet und lassen sich in vitro nicht vermehren. Im Knochenmark, d. h. ihrer natürlichen Mikroumgebung (Nische), verbleiben sie solange im „Ruhezustand“, bis sie das Signal zu Differenzierung in verschiedene Blutzellen erhalten. Bis dahin werden sie in dieser Umgebung mit Nährstoffen u. a. versorgt. Erhalten HSC das Signal, sich zu spezifischen Zielzellen zu differenzieren, wird ein „Cocktail“ aus regulatorischen Faktoren zusammengestellt, und zusammen mit Umwelt- und mechanischen Signalen aus der extrazellulären Matrix beginnt die spezifische Differenzierung.

Entwicklung künstlicher Stammzellnischen

Schwerpunkt des Projekts MicroNICHE war die Entwicklung künstlicher HSC-Nischen mittels mikrofluidischer Verfahren. Mikrofluidiksysteme nutzen physikalische und chemische Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen im Mikromaßstab. Pilar Carreras, die über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert wurde, erklärt hierzu: „Die Entwicklung einer biomimetischen 3D-Mikroumgebung war die Ausgangsbasis, um hämatopoetische Stammzellen aus dem menschlichen Knochenmark erhalten, vermehren und später daraus ex vivo funktionelle Zellen züchten zu können.“ Im nächsten Schritt sollten künstliche Mikronischen mit wichtigen rekonstruierten Funktionsmerkmalen generiert werden. „In dem Projekt machten wir uns die Vorteile hochdurchsatzfähiger Mikrofluidik-Technologie zunutze, insbesondere die tröpfchenbasierte Mikrofluidik“, fügt Carreras hinzu.

Von der einzelnen Stammzelle zur differenzierten Zelle

Ursprüngliches Ziel war eine Überlebensfähigkeit der Zellen von mindestens 78 Stunden, um zu demonstrieren, dass eine für die Verkapselung und Kultivierung humaner Stammzellen (hHSC) geeignete Umgebung geschaffen werden kann. „Wie sich herausstellte, konnten hHSC in einigen Mikronischen jedoch sogar bis zu acht Wochen ohne komplexe Zellkulturtechniken oder Zusatzstoffe in den Kulturmedien überleben und sich vermehren“, betont Carreras. Um den Grad der Pluripotenz und Differenzierungsfähigkeit in andere mögliche Zellen zu ermitteln, wurden eine Woche lang patientenderivierte Zellen in Tröpfchen kultiviert. „Wir beobachteten, dass die meisten der verkapselten Zellen als Stammzellen verblieben und sich nur sehr wenige Subpopulationen differenzierten. So ist davon auszugehen, dass die meisten ex vivo und mittels Hochdurchsatz-Mikrofluidik kultivierten hHSC im ursprünglichen Zustand verbleiben, um dann später kultiviert und vermehrt werden zu können“, sagt Carreras. Das langfristige Überleben und die Vermehrung von hHSC mittels MicroNICHE-Technologie konnte auch verbessert werden, indem die Zellen zusammen mit humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) acht Wochen lang in einer zwiebelschalenartigen Hydrogelstruktur verkapselt wurden. Carreras sieht in dieser bahnbrechenden Technologie eine „Möglichkeit, Vorläuferzelltransplantate deutlich zu optimieren, und auch ein Instrument, um biochemische und biophysikalische Einflussfaktoren auf das Stammzellverhalten genauer zu untersuchen.“

Beseitigung von Hürden und Forschungslücken

Unterstützung bei auftretenden Forschungsfragen leistete das Partnerlabor von Dr. Joaquin Martinez-Lopez (Abteilung für Hämatologie, Hospital 12 Octubre, Madrid). Um die Funktionen des Mikrofluidiksystems genauer anzupassen, waren Veränderungen an dessen Material erforderlich. Zudem wurden mehrere Zelltests für konfokalmikroskopische Analysen der kultivierten Beads entwickelt, um Probleme bei der 3D-Bildgebung der verkapselten Zellen auszuräumen. Carreras fasst zusammen: „Die Einsatzmöglichkeiten für die Technologie als universelles Modell für Stammzellnischen sind enorm und könnten durchaus auch für andere Zelltypen erweitert werden.“ Schließlich betont sie, wie wichtig Mikrofluidikanwendungen für die Biowissenschaften sind. So könnten die Ergebnisse dieser Art von Forschung auch bald zügiger in die medizinische Praxis in Krankenhäusern überführt werden, da eine patientennahe Behandlung bessere und effizientere Ergebnisse erzielen kann.

Schlüsselbegriffe

MicroNICHE, Stammzellen, Mikrofluidik, Zellkultur, hHSC, Stammzellnische, tröpfchenbasierte Mikrofluidik

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