Fortschritte in der Stammzellforschung mittels SLOT
07.10.2013

Darstellung eines ungefärbten Aggregats / Sphäroiden aus hiPS Zellen mittels intrinsischer Kontrastmechanismen durch SLOT: Rohdaten für Streulicht (l.o.) und Extinktion (l.m.) und Superposition beider Kanäle (l.u.), rekonstruierte Daten nach gefilterter Rückprojektion äquivalent zu den Rohdaten, gerenderte Darstellung der Superposition beider Kanäle, Volumendarstellung (r.o.), in silico Schnittdarstellung eines 50µm Schnittes (r.m.) und eines 15µm Schnittes (r.u.), (Maßstabsbalken entsprechen 100µm).

Das Laser Zentrum Hannover (LZH e.V.) ist an dem aktuellen Projekt zum tomographischen Monitoring von 3D-Zellkulturen aus pluripotenten Stammzellen (hPSC) beteiligt.

Ziel des Forschungsverbunds ist der erstmalige Einsatz der Scanning Laser Optical Tomography (SLOT) zur nicht-invasiven direkten, quantitativen Erfassung der absoluten Zellzahlen in gezüchteten körpereigenen Zellverbänden. Die Ergebnisse des Projekts TOMOSphere sollen einem besseren Verständnis der Physiologie von hPSC- und anderen Stammzellen sowie der kontinuierlichen Kontrolle ihrer Eigenschaften dienen und so entscheidende Fortschritte bei therapeutischen Konzepten ermöglichen.

Für die Untersuchungen wird die am LZH entwickelte und patentierte SLOT-Technologie erstmals zur zeit- und raumaufgelösten Beobachtung nativer oder fixierter Zellen in sich bildenden dreidimensionalen Aggregatstrukturen eingesetzt. Mit den hierbei gewonnenen Erkenntnissen wird eine Klassifizierung und spätere Sortierung der Aggregate, etwa im Hinblick auf eine Heterogenität der Zellstruktur, möglicher Zystenbildung oder der Ablagerung extrazellulärer Matrizes, angestrebt. Daraus lassen sich im Rückschluss wichtige Prozessparameter zur Kultivierung von Aggregaten in gerührter Suspensionskultur ableiten. Hierzu gehören u. a. die Inokulationsdichte, der Einfluss des Kulturmediums oder die maximale bzw. optimale Zell- und Aggregatdichte je ml Kulturmedium.

Zur Bearbeitung dieser Fragestellungen wird im Rahmen des Verbundprojekts ein auf SLOT basierendes Inkubationssystem für tomografische Langzeituntersuchungen von Gewebeproben, kombiniert mit einem breiten Spektrum von Kontrastmethoden entwickelt. Es soll einerseits die markerfreie Bestimmung intrinsischer zell- und gewebespezifischer Eigenschaften und andererseits eine sekundäre Kontrastierung durch Zugabe niedermolekularer Substanzen erlauben. Somit ließen sich beispielsweise die Fluktuation von NAD/ NADH, cAMP, Ca2+ Ionen und deren Anreicherung in verschiedenen Zellorganellen beobachten oder unterschiedliche Stadien des Zellzyklus bis hin zum programmierten Zelltod nachweisen. Außerdem bietet es die Möglichkeit zur Beobachtung und Analyse der differenziellen intra- oder extrazellulären Anlagerung und Aufnahme verschiedener Mikro- und Nanopartikel in Zellaggregaten.

Mit den SLOT-basierten, markerfreien Nachweismethoden der Pluripotenz von Stammzellen wird eine im Vergleich zu herkömmlichen Standards wesentlich höhere Sensitivität angestrebt. Technisch betrachtet wird eine Küvette mit Zellaggregaten per Nadelstrahl abgerastert und ein Projektionsbild aus dem Streu-, Transmissions- und Fluoreszenzlicht jeder Rasterposition erstellt. Unter Drehung der Probe werden die Projektionen aufgenommen und durch Rückprojektion ein 3D-Datensatz generiert. So entstehen virtuelle Schnittebenen, die einen Blick tief in das Probenmaterial ermöglichen, ohne es tatsächlich zerschneiden zu müssen. Grundsätzlich eignet sich das Verfahren zur Darstellung jeder isolierten und hinreichend transparenten Probe.

Um die Prozesserforschung, -entwicklung und -kontrolle in größerem Maßstab gewährleisten zu können, wird dem Markt überdies eine industrierelevante Bioreaktorplattform mit integrierter SLOT-Technologie zur Masseproduktion pluripotenter humaner Stammzellen und daraus abgeleiteter differenzierter Zelltypen zur Verfügung gestellt. Die hier gewonnenen Zellen können in der regenerativen Medizin, der in vitro-Modellierung humaner Erkrankungen und neuer Heilungsansätze wie auch in der Entwicklung neuer pharmakologischer Wirksubstanzen Anwendung finden.

Das Projekt mit einem Gesamtvolumen von 4,134 Mio. € ist Bestandteil der Bekanntmachung „Ultrasensitiver Nachweis und Manipulation von Zellen bzw. Geweben und ihren Molekularen Bestandteilen“ des BMBF. Neben dem LZH sind 5 weitere Verbundpartner (LaVision BioTec/Bielefeld, LEBAO/Hannover, Scivis/Göttingen, Sill Optics/Wendelstein und Miltenyi BioTec/Bergisch Gladbach) beteiligt. Mit Projektstart am 01.07.2013 erhält der Verbund in den kommenden drei Jahren seitens des BMBF eine Zuwendung von 2,621 Mio. €.

Marketing  & Kommunikation
Dipl.-Biol. Lena Bennefeld
Tel.: +49 511 2788-238
Fax: +49 511 2788-100
E-Mail: l.bennefeld@lzh.de

Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ist eine durch Mittel des Niedersächsischen Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr unterstützte Forschungs- und Entwicklungseinrichtung auf dem Gebiet der Lasertechnik.