Entwicklung und Funktionsprüfung eines oxygenierenden Hohlfaserreaktors zur Kultivierung von Leberzellen

Jasmund, Inka

Die Kultivierung differenzierter hepatischer Zellen gilt allgemein als schwierig, ist aber vielseitig für pharmakologische Zwecke, als bioartifizielle Leber oder zur Produktion von Gerinnungsfaktoren oder Serumproteinen einsetzbar. Darum wurde in dieser Arbeit ein Kultivierungssystem entwickelt, das den hohen Anforderungen der Erhaltung und Expansion von Leberzellen entspricht. Der dabei entwickelte oxygenierende Hohlfaserbioreaktor (Oxy-HFB) bietet eine vom Mediumfluss unabhängige Versorgung mit Sauerstoff über die Trägerstruktur und vermeidet durch einen homogenen Aufbau bei Abständen von etwa 200 µm zwischen den Hohlfasern lange Diffusionsstrecken. Die Zellen werden im extrakapillaren Raum kultiviert und kommen in direkten Kontakt mit dem Medium. Der Oxy-HFB wurde hinsichtlich des Verweilzeitverhaltens, der Mischzeit und der Sauerstoffversorgung charakterisiert. Anschließend wurden primäre porcine Leberzellen unter Variation des zur Verfügung stehenden Mediumvolumens, der Zelldichte und des Mediumflusses kultiviert. Dabei zeigten die Zellkulturen nicht nur ein stabiles Verhalten des Primärmetabolismus, sondern auch der Biotransformationsleistung über den untersuchten Zeitraum von zwei Wochen. Die Experimente zeigten, dass der Oxy-HFB zur Zeit für viele Anwendungen im Bereich der Leberzellkultivierung besser geeignet ist als andere veröffentlichte Kultivierungssysteme: Der Oxy-HFB erlaubt eine Vielzahl von Variationen im Versuchsaufbau und ist daher für die Untersuchung von zellulären oder pharmakologischen Mechanismen gut geeignet.

The cultivation of differentiated hepatic cells is a difficult task, as is international well-known. However, they are of great value for pharmaceutical screening, as a bioartificial liver or for production of clotting factors or serum proteins. Therefore, a cultivation system with an optimal cell environment and a high flexibility in experimental design was developed in this project. The constructed oxygenating hollow fiber bioreactor (Oxy-HFB) offers oxygenation independent from medium supply and an extremely simple design consisting of only one fiber system for the oxygenation. The low distance of 200 µm between the hollow fibers prevents the appearance of diffusion barriers and limitations of substrates or oxygen for the cells. The cells are cultivated in the extrafibrous space and are therefore in direct contact to the medium. The system was characterized concerning residence time distribution, mixing time and oxygen supply. To prove the suitability for the cultivation of primary cells porcine hepatocytes were cultivated under variation of cell density, medium flow rate and medium volume. The cells showed not only a stable primary metabolism but also a stable phase I and II metabolism over the cultivation time of two weeks under variation of the cell density. The experiments showed that the bioreactor is highly suitable for cultivations of primary hepatocytes and superior to other published systems. The design of the bioreactor allows lots of variations in the experimental design and is therefore predestined for investigations on cellular and pharmacologically mechanisms.

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Jasmund, Inka: Entwicklung und Funktionsprüfung eines oxygenierenden Hohlfaserreaktors zur Kultivierung von Leberzellen. 2003.

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