Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4111
Fischbach, Tina
Innovative Strategien zur Expansion hematopoietischer Stamm- und Vorläuferzellen im klinisch relevanten Maßstab
V, 221 S., 2004

Die gezielte Expansion hematopoietischer Stamm- und Vorläuferzellen aus Nabelschnurblut stellt nach wie vor eine Herausforderung in der modernen Biotechnologie dar. Die unterschiedlichen und sehr komplexen Mechanismen, die in vivo für die Regulation der Hematopoiese sorgen, sind nur in Teilen bekannt, und der Grad ihrer Vernetzung erschwert die Aufklärung der physiologischen Vorgänge. Allerdings konnte in etlichen Experimenten die besondere Rolle, die den stromalen Zellen des Knochenmarks bei der Steuerung so unterschiedlicher Prozesse wie Differenzierung, Reifung, Expansion, Apoptose etc. zufällt, nachgewiesen werden . Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Kultursysteme machen sich diese Erkenntnis zunutze . Der erste Abschnitt der Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung des Prozesses zur Herstellung konditionierter Medien durch Variation verschiedener Parameter und unter Verwendung von drei stromalen, murinen Zellinien . Ferner wurden die beobachteten Unterschiede der Medien unter Zuhilfenahme molekularbiologischer Techniken weiter untersucht . Dies hat zur Identifizierung eines Proteins geführt, dessen isolierte Wirkung auf hematopoietischen Zellen der Wirkung des konditionierten Mediums, aus welchem es gewonnen wurde, entsprach . Im zweiten Abschnitt wurde die Wechselwirkung der hematopoietischen Zellen mit den stromalen Zellen auf wesentlich komplexere Weise nachgestellt, um dadurch eine effizientere Nachahmung der Hämatopoiese bzw. der gezielten Expansion der hematopoietischen Zellen zu bewirken . Stromale Zellen wurden in Membran-separierter Co-Kultur mit hematopoietischen Zellen kultiviert . Kleine, 1 pm große Poren erlaubten zwar den Austausch von Nähr- und Botenstoffen zwischen den beiden Kammern des zu diesem Zweck entwickelten Bioreaktors, hielten jedoch den Zellkörper der Stromalen Zellen zurück, sodass es nicht zu einer Vermischung der beiden Zelltypen kam und die hematopoietischen Zellen separat gewonnen werden konnten . Im Mittel konnten mononukleäre Zellen über einen Kultivierungszeitraum von 7 Tagen um Faktor 61, Vorläuferzellen und frühe Vorläuferzellen jeweils um Faktor 22 bzw. 19 expandiert werden. Der Entwicklung des Bioreaktors im klinischen Maßstab ging die Erprobung und Optimierung des Ansatzes in einem miniaturisierten Testsystem voraus.

Hematopoiesis is a highly regulated process. A large variety of signaling factors, cell surface receptors and extracellular matrix molecules influence and direct cell expansion, maturation, differentiation, and apoptosis . Up to date, this complex network could not be clarified in detail, making it impossible to establish natural hematopoiesis for potential medical use in vitro. Despite this imprecise understanding, what is known, is the important role that bone marrow stromal cells play in aforementioned processes. In this work, the regulatory role of stromal cells during the expansion of hematopoietic stem and progenitor cells, isolated from cord blood, was analysed and finally exploited in order to improve biotechnological processes as for example the large scale expansion of cells . At first, optimal conditions for the production of stroma-conditioned media were established . Thereafter, differences between media, gained from three murine stromal cell lines, were analysed on single protein level . One protein, which could be isolated and identified, turned out to mimick the medium's effect on hematopoietic cells. Second, a novel bioreactor system, based on membrane-separated co-cultivation of murine stromal cells and human hematopoietic stem and progenitor cells, was developed . This special arrangement allows for the exchange of signaling molecules and nutrients through small pores in the membrane, whereas the harvest of stem cells can be performed without contaminating murine stromal cells. After 7 days of cultivation, mononuclear cells, progenitor cells and early progenitor cells could be expanded on average 61-fold, 22-fold and 19-fold, respectively . A small scale test system served for the analysis and further development of a clinical scale bioreactor.

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Letzte Änderung: 07.06.2022