Stammzellen kultivieren im Bioreaktor

Um Stammzellen erfolgreich in einem Bioreaktor kultivieren zu können, müssen einige kritische Prozessparameter genau überwacht und geregelt werden, beispielsweise: pH-Wert, Gelöstsauerstoffkonzentration und Temperatur, aber auch biochemische Aspekte wie die Konzentration wichtiger Nährstoffe, Metabolite und Wachstumsfaktoren. Zudem ist besonders wichtig, dass der Scherstress von Rührer und Begasung auf einem Minimum gehalten werden, um Zellschäden zu vermeiden. Dies gilt gleichermassen für Stammzellkultivierungen mit Suspensionszellen, Zellaggregaten und Stammzellen an Mikrocarriern.

Präzise Regelung der Gelöstsauerstoffkonzentration

Da die Gelöstsauerstoffkonzentration die Differenzierung und Zellteilung von Stammzellen beeinflusst, muss diese sehr präzise geregelt werden. Ideal hierfür ist eine Begasungsstrategie mit Luft, N2 und O2, jeweils mit einem eigenen Massendurchflussregler. Wichtig ist, dass trotz niedriger zellschonender Begasung den Zellen genug Sauerstoff zur Verfügung steht, d.h. der Bioreaktor einen hohen kLa-Wert vorweist. Weiterhin sollten eine CO2-Leitung für die pH-Regelung sowie die Möglichkeit zur Kopfraumbegasung zur Verfügung stehen.

Gute Durchmischung bei wenig Scherstress

Damit homogene Verhältnisse im Kulturgefäss herrschen, ist eine gute Durchmischung unerlässlich. Kurze Mischzeiten verringern zellschädliche Konzentrationsgradienten von beispielsweise zugeführter Base oder Nährmedium. Da Stammzellen sehr scherempfindlich sind, ist es wichtig, eine gute Durchmischung bereits bei niedrigen Leistungseinträgen und gleichmässiger Energieverteilung zu erreichen. Geeignete Bioreaktoren zeichnen sich durch einen zellschonenden Rührer in der richtigen Position und einer optimalen Gefässgeometrie aus.

Kontinuierliche Überwachung prozesskritischer Parameter

Um Stammzellen reproduzierbar kultivieren zu können, ist ein detaillierter Einblick in den Kultivierungsprozess unerlässlich. Zusätzliche Sensoren ermöglichen kontinuierliche Überwachung kritischer Parameter, wie beispielsweise Redoxsensoren, Abgasanalyse, Lebendzelldichte- oder Biomassesensoren. Mit Hilfe einer Bioprozesssoftware können daraus weitere Parameter, wie RQ, kontinuierlich berechnet werden, sodass sofort und automatisch auf sich ändernde Prozessbedingungen reagiert werden kann.

Mikrocarrier als Lösung für adhärente Zellen

Stammzellen, die zum Wachsen eine Matrix benötigen, an der sie sich anhaften können, sogenannte adhärente Zellen, werden oft mit Hilfe von Mikrocarriern in Bioreaktoren kultiviert. Sie sind in verschiedenen Materialien erhältlich und werden für kontinuierliche Prozesse häufig mit Spin Filtern kombiniert. Die Mikrocarrier mit den Zellen können die Filtermembran nicht passieren, wodurch Zellen im Bioreaktor angereichert und zellfreies Medium geerntet werden kann.

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«Da Stammzellen sehr scherempfindlich sind, ist es wichtig, eine gute Durchmischung bereits bei niedrigen Leistungseinträgen zu erreichen.»

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