Seit es in den 1950er-Jahren erstmals gelang, menschliche Zellen außerhalb des Organismus zu kultivieren, sind Zellkulturen aus der medizinischen und biologischen Forschung nicht mehr wegzudenken. Mithilfe von Zellkulturen werden die Auswirkungen bestimmter Substanzen getestet, die Entwicklung von Karzinomen studiert oder Impfstoffe und Antikörper hergestellt.

Sie helfen die enorme Zahl an Tierversuchen zumindest zu reduzieren, und vielleicht wird man diese zurzeit noch als unverzichtbar erachtete Praktik eines Tages durch hochentwickelte Zellkultursysteme ersetzen können. So arbeitet ein Innsbrucker Forscherteam an der Entwicklung eines neuartigen Systems zur Zellkultivierung, das die Verhältnisse im lebenden Organismus beträchtlich besser modellieren soll als die bislang eingesetzten.

Füttern und säubern

Das Problem bei bestehenden Systemen: "Den Zellen in der Petrischale wird zwar immer wieder frische Nahrung wie Zucker, Vitamine etc. zugeführt, dennoch nimmt die Konzentration der Nährstoffe über die Zeit kontinuierlich ab", erläutert der Medizintechniker Thomas Schmiedinger von der Universitätsklinik für Strahlentherapie und Radioonkologie an der Medizinischen Universität Innsbruck. "Gleichzeitig nehmen die metabolischen Abbauprodukte im Nährmedium zu."

Im lebenden Körper dagegen sorgt der Blutkreislauf dafür, dass die Stoffwechselprodukte laufend abtransportiert und die Zellen fortwährend mit frischen Nährstoffen versorgt werden. "Zwar gibt es heute bereits Zellkulturmodelle, welche die kontinuierliche Ver- und Entsorgung nachbilden", sagt Schmiedinger, "aber selbst bei diesen sogenannten Perfusionszellkulturen ist man nie sicher, ob tatsächlich jede Zelle im Gefäß gleichmäßig mit Nährstoffen versorgt wird."

Um herauszufinden, unter welchen Bedingungen jede einzelne Zelle am besten gedeiht, nutzen die Innsbrucker Forscher das Simulations-Know-how von Wasserbauexperten rund um das Team von Markus Aufleger und Roman Gabl: "Durch die Simulation der Strömungsverhältnisse mittels CFD(Computational Fluid Dynamic)-Simulationen können wir sehr schnell die unterschiedlichsten Parameter - von der Fließgeschwindigkeit der Nährsubstanzen bis zur Form des Behälters - ändern und die Auswirkungen auf die Zellen beobachten", erläutert Thomas Schmiedinger.

Die Ergebnisse dieser Simulationen werden mit den erhobenen Messdaten aus bestehenden Zellkultursystemen abgeglichen und liefern die Basis für jenen Rechencode, der die optimale Form des Bioreaktors ermittelt.

Eine behagliche Umgebung

Parallel zur Arbeit am neuen Bioreaktorkonzept beschäftigen sich die Forscher in diesem vom Land Tirol über die Standortagentur Tirol geförderten Translational-Research-Projekt auch mit der Verbesserung jener Oberflächen, auf denen die Zellen wachsen sollen. Während die klassische Petrischale eine glatte Oberfläche aufweist, sind Zellen im lebenden Organismus in eine "extrazelluläre Matrix" eingebettet. "Es handelt sich dabei um ein äußerst komplexes Milieu, das je nach Zell- typ variiert", erklärt Thomas Schmiedinger.

So sind etwa Knochenzellen in eine feste Materie eingebettet und brauchen deshalb eine ganz andere Wachstumsumgebung als beispielsweise Fettzellen. Um den Zellen im Bioreaktor ein "heimatliches Gefühl" zu vermitteln und damit ihr Wachstum in der fremden Umgebung zu fördern, werden die Oberflächen der Petrischalen schon seit längerem mit diversen Substanzen wie beispielsweise Kollagen beschichtet.

Diese Substrate beeinflussen jedoch die Zellen - sie verändern ihr Aussehen und verhalten sich auch anders. "Deshalb wollen wir statt der Verwendung solcher Substanzen ausschließlich mit Oberflächenstrukturen arbeiten", erläutert Schmiedinger. Dafür entwickeln die Projektpartner von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften spezielle nanostrukturierte sowie extrem feinfasrige Oberflächen, die der natürlichen extrazellulären Matrix relativ nahe kommen.

Realistische Bedingungen

"Speziell in der Strahlentherapie sind aussagekräftige Zellkultursysteme extrem wichtig", betont der Medizintechniker. "Krebszellen auf glatten Oberflächen sind weniger resistent gegenüber Bestrahlung als jene auf modifizierten Oberflächen. Es bedarf also einer sehr wirklichkeitsnahen Zellumgebung, um aussagekräftige Untersuchungen an Zellkulturen durchführen zu können."

Die im Rahmen des Projekts entwickelten nano- und mikroskalierten Zellträgeroberflächen sollen schließlich den neuen Perfusionsbioreaktor ausstatten. "Mit diesem innovativen Reaktor wollen wir der Forschung ein flexibles Werkzeug zur Untersuchung von Zellen zur Verfügung stellen, die kontinuierlich und homogen ernährt, effizient von metabolischem Abfall gereinigt werden und unter stetig kontrollierbaren physikalischen Parametern wachsen", sagt Schmiedinger.

Diese unter quasi natürlichen Bedingungen heranwachsenden und damit auch " natürlich" reagierenden Zellen sollen in absehbarer Zeit deutlich besser über die Wirkung unterschiedlichster Substanzen oder Strahlung Auskunft geben als in der klassischen Petrischale gezüchtete Zellkulturen. Und damit auch eine Reihe von Tierversuche überflüssig machen. (Doris Griesser, DER STANDARD, 12.12.2012)