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Microcarrier

Microcarrier (auch microcarrier beads, deutsch etwa ‚Mikroträgerperlen‘) sind in der Zellkultur und Biotechnologie meist kugelförmige Wachstumssubstrate für die Produktion von adhärenten Zellen in Bioreaktoren in größeren Mengen (in 3D-Zellkultur) oder von daraus gewonnenen rekombinanten Proteinen.

Humane iPS auf Microcarrier in einer spinner flask

Eigenschaften

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Microcarrier haben typischerweise einen Durchmesser von 0,1 – 0,3 Millimetern.[1] Dadurch haben sie im Vergleich zur Monolayer-Zellkultur in Zellkulturflaschen oder -schalen (2D-Zellkultur) ein deutlich höheres Oberflächen-Volumen-Verhältnis[2] und eine vielfach erhöhte Ausbeute.[3] Die Vorteile gegenüber der 2D-Zellkultur liegen in:[4]

  • Skalierbarkeit
  • Computer-steuerbare Kulturbedingungen
  • Geringerer Platzverbrauch
  • Geringerer Arbeitsaufwand
  • eine natürlichere Umgebung, die eine Zelldifferenzierung fördert

Es gibt von der Kugelform abweichende Formen.[5] Die Dichte der Microcarrier liegt knapp über der des Zellkulturmediums, wodurch sie nur langsam absinken und durch Zentrifugation vom Medium getrennt werden können. Die für Microcarrier am häufigsten verwendete Zelllinie sind Vero-Zellen.[6] Für eine therapeutische Anwendung im Menschen werden oftmals biologisch abbaubare Microcarrier verwendet.[7] Die Rührgeschwindigkeit im Bioreaktor wird so gewählt, dass die Zellen mit Nährstoffen versorgt werden (je schneller, desto weniger Diffusionsgradienten) und wenig störende Kräfte auftreten (je langsamer, desto weniger Schäden).[3][8]

Kommerzielle Microcarrier[2]
Name Größe (μm) Dichte (g/mL) Material
Cytodex-1 60–87 1,03 Dextranperlen mit positiv-geladenen Diethylaminoethylgruppen
Cytodex-2 60–87 1,04 Dextranperlen mit N,N,N-Trimethyl-2-hydroxyaminopropylgruppen
Cytodex-3 60–87 1,04 Dextranperlen mit Oberfläche aus vernetzter porciner Gelatine
Cytopore 1 200–280 1,03 Cellulose
CultiSpher G 130–380 1,04 Vernetzte porcine Gelatine
CultiSpher S 130–380 1,04 Vernetzte porcine Gelatine
Hillex 150–210 1,1 Dextran-Matrix mit Oberflächenbehandlung
Beschichtetes Glas 90–150 1,05 Glas

Geschichte

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Der erste Microcarrier wurde 1967 von A. L. van Wezel verwendet und bestand aus Diethylaminoethyl–Sephadex A50 (vernetztes DEAE-Dextran).[9][2] In Folge sind zahlreiche andere Materialien entwickelt worden, wie zunächst DEAE-Dextran, Glas, Polystyrol und Polyacrylamid, aber die Anhaftungsquote der Zellen war vergleichsweise niedrig.[2] Synthetische Polymere zeigten ein langsameres Wachstum durch geringere Anzahl an Zellkontakten.[8] Ab den 1980er Jahren wurden poröse Microcarrier entwickelt, die eine höhere Zelldichte ermöglichen und vor allem weniger von Außen einwirkende Kräfte und Kollisionen mit sich brachten,[8] insbesondere weniger Scherkräfte, weniger Strömungswiderstand an den Zellen, weniger Reibung und weniger Druckunterschiede.[3] Darunter sind viele auf Basis von Biopolymeren wie Kollagen, Gelatine, Chitin und -derivate sowie Cellulose,[1] Seide, Fibrin, Alginat und Agarose, Hyaluronsäure, Chondroitinsulfat und extrazelluläre Matrizen.[10] Diese sind zudem biokompatibel, wodurch sie in vivo eingesetzt werden können.[3]

Literatur

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  • X. Huang, Z. Huang, W. Gao, W. Gao, R. He, Y. Li, R. Crawford, Y. Zhou, L. Xiao, Y. Xiao: Current Advances in 3D Dynamic Cell Culture Systems. In: Gels. Band 8, Nummer 12, Dezember 2022, S. , doi:10.3390/gels8120829, PMID 36547353, PMC 9778081 (freier Volltext).
  • S. Derakhti, S. H. Safiabadi-Tali, G. Amoabediny, M. Sheikhpour: Attachment and detachment strategies in microcarrier-based cell culture technology: A comprehensive review. In: Materials science & engineering. C, Materials for biological applications. Band 103, Oktober 2019, S. 109782, doi:10.1016/j.msec.2019.109782, PMID 31349523.

Einzelnachweise

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  1. ↑ a b X. Y. Chen, J. Y. Chen, X. M. Tong, J. G. Mei, Y. F. Chen, X. Z. Mou: Recent advances in the use of microcarriers for cell cultures and their ex vivo and in vivo applications. In: Biotechnology letters. Band 42, Nummer 1, Januar 2020, S. 1–10, doi:10.1007/s10529-019-02738-7, PMID 31602549.
  2. ↑ a b c d B. Li, X. Wang, Y. Wang, W. Gou, X. Yuan, J. Peng, Q. Guo, S. Lu: Past, present, and future of microcarrier-based tissue engineering. In: Journal of orthopaedic translation. Band 3, Nummer 2, April 2015, S. 51–57, doi:10.1016/j.jot.2015.02.003, PMID 30035040, PMC 5982391 (freier Volltext).
  3. ↑ a b c d Florian Petry, Denise Salzig: Impact of Bioreactor Geometry on Mesenchymal Stem Cell Production in Stirred‐Tank Bioreactors. In: Chemie Ingenieur Technik. 2021, Band 93, Nummer 10, S. 1537–1554 doi:10.1002/cite.202100041.
  4. ↑ S. M. Badenes, T. G. Fernandes, C. A. Rodrigues, M. M. Diogo, J. M. Cabral: Microcarrier-based platforms for in vitro expansion and differentiation of human pluripotent stem cells in bioreactor culture systems. In: Journal of biotechnology. Band 234, September 2016, S. 71–82, doi:10.1016/j.jbiotec.2016.07.023, PMID 27480342.
  5. ↑ I. M. Bjørge, C. R. Correia, J. F. Mano: Hipster microcarriers: exploring geometrical and topographical cues of non-spherical microcarriers in biomedical applications. In: Materials horizons. Band 9, Nummer 3, März 2022, S. 908–933, doi:10.1039/d1mh01694f, PMID 34908074.
  6. ↑ Sascha Kiesslich, Amine Kamen: Vero cell upstream bioprocess development for the production of viral vectors and vaccines. In: Biotechnology Advances. 2020, Band 44, S. 107608 doi:10.1016/j.biotechadv.2020.107608.
  7. ↑ H. K. Handral, T. A. Wyrobnik, A. T. Lam: Emerging Trends in Biodegradable Microcarriers for Therapeutic Applications. In: Polymers. Band 15, Nummer 6, März 2023, S. , doi:10.3390/polym15061487, PMID 36987266, PMC 1005759 (freier Volltext).
  8. ↑ a b c A. C. Tsai, C. A. Pacak: Bioprocessing of Human Mesenchymal Stem Cells: From Planar Culture to Microcarrier-Based Bioreactors. In: Bioengineering. Band 8, Nummer 7, Juli 2021, S. , doi:10.3390/bioengineering8070096, PMID 34356203, PMC 8301102 (freier Volltext).
  9. ↑ A. L. van Wezel: Growth of cell-strains and primary cells on micro-carriers in homogeneous culture. In: Nature. Band 216, Nummer 5110, Oktober 1967, S. 64–65, doi:10.1038/216064a0, PMID 4292963.
  10. ↑ M. Brovold, J. I. Almeida, I. Pla-Palacín, P. Sainz-Arnal, N. Sánchez-Romero, J. J. Rivas, H. Almeida, P. R. Dachary, T. Serrano-Aulló, S. Soker, P. M. Baptista: Naturally-Derived Biomaterials for Tissue Engineering Applications. In: Advances in Experimental Medicine and Biology. Band 1077, 2018, S. 421–449, doi:10.1007/978-981-13-0947-2_23, PMID 30357702, PMC 7526297 (freier Volltext).
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