Züchtung primärer osteogener Zellen auf neuartigen Gerüststrukturen in Kleinfermentern zur Herstellung von Knochenimplantaten in vitro

Barthold, Marc

Als Grundlage für die Herstellung von Knochengewebeersatz in vitro wurden in dieser Arbeit Konzepte zur Kultivierung von Knochenvorläuferzellen untersucht. Aus dem Knochenmark der Ratte isolierte Zellen wurden mit verschiedenen Basalmedien, Wachstumsfaktorkombinationen und Serumkonzentrationen kultiviert und auf ihr Proliferations- und Differenzierungspotenzial getestet. Hierbei zeigte sich, dass die Kombination Fibroblast Growth Factor 2 und Platelet-Derived Growth Factor-BB die Proliferation der Zellen am besten unterstützten. Aufgrund der verminderten Adhäsion und Ausspreitung der Zellen konnte auf einen Serumanteil im Kulturmedium nicht völlig verzichtet, dieser jedoch von ursprünglich 15 auf 1% reduziert werden. Bei der Kulturführung auf dreidimensionalen Trägergerüsten wurden sowohl Besiedlungskonzepte von unterschiedlichen Gerüststrukturen untersucht als auch Verfahren zur Langzeitkultur (>7 Tage) von Knochenvorläuferzellen etabliert und verglichen. Ein für diese Anwendung entwickelter Kleinfermenter wurde weiter optimiert und das Arbeitsvolumen von 80 auf 30 ml reduziert. Dieses System erwies sich als statischen Kulturen deutlich überlegen. Die Kultivierung der Zellen in Festbettperfusionsreaktoren mit kontinuierlichem Medienaustausch ermöglicht eine 30tägige Kulturführung auf porösen Calciumphosphatgerüsten mit einer im Vergleich zur statischen Kultur beschleunigten Proliferation, höheren Gesamtzellausbeute sowie verbesserten Matrixbildung und -mineralisierung.

As a basis for the production of bone tissue implants in vitro different concepts for the cultivation of osteoprogenitor cells have been investigated in this work. Cells isolated from the bone marrow of rats have been cultivated with different basal media, combinations of cytokines and serum concentrations and tested for their proliferation and differentiation potential. Thereby it became evident that cellular proliferation was supported best by a combination of fibroblast growth factor 2 (FGF-2) and platelet-derived growth factor-BB (PDGF-BB). Because of a substantially reduced adhesion and spreading of cells a complete removal of serum from the culture medium was not accomplished but the serum percentage could be reduced from initially 15% down to 1%. Protocols for seeding as well as three-dimensional long-term cultivation of osteoprogenitor cells in different novel scaffold structures have been established and compared. A specially developed small-scale bioreactor (working volume 80ml) was further optimised and scaled down (30 ml). It showed superior performance in comparison to static cultures which were run in parallel. The cultivation of osteoprogenitors in these perfused fixed-bed bioreactors with a continuous exchange of medium allows a 30-days culture on porous calcium phosphate scaffolds with accelerated proliferation, higher cell yields, and improved formation, maturation and mineralisation of extracellular matrix when compared to static culture.

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Barthold, Marc: Züchtung primärer osteogener Zellen auf neuartigen Gerüststrukturen in Kleinfermentern zur Herstellung von Knochenimplantaten in vitro. 2003.

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