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Zellkultur mit humanem Plättchenlysat Mit recyceltem Blut zu neuer Medizin

Von Dr. Hatim Hemeda*

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Die regenerative Medizin entwickelt sich rasant. Insbesondere in der Stammzelltherapie nimmt dabei die Zellkultivierung eine herausragende Rolle ein. Für die Entwicklung neuer Therapien sind deshalb sichere Nährmedien gefragter denn je. Sie ermöglichen die in-vitro-Züchtung von Stammzellen.

Abb. 1: Immer mehr Anwender setzen zur sicheren und ethischen Zell- und Gewebekultur auf humanes Plättchenlysat
Abb. 1: Immer mehr Anwender setzen zur sicheren und ethischen Zell- und Gewebekultur auf humanes Plättchenlysat
(Bild: PL Bioscience GmbH)

Die Zell- und Gewebekultur ist eine der wichtigsten Grundlagen für die Erforschung und Entwicklung zukunftsweisender Therapien. Um Zellen in vitro zu erhalten und wachsen zu lassen, braucht es Zellkulturmedien, so genannte Nährmedien, mit wachstumsfördernden Eigenschaften. Sie fördern den zellulären Stoffwechsel und erhalten die physiologischen Zellprozesse auch außerhalb des Ausgangsorganismus aufrecht.

Bis vor einigen Jahren verwendeten Forscher größtenteils tierische Nährmedien. Insbesondere das Fetale Kälberserum (Fetal bovine serum, FBS) hat sich seit den 1950er Jahren als gängiges Zellkultursupplement entwickelt. Es ist zwar reich an wachstumsfördernden Komponenten, wird jedoch aus dem Blut ungeborener Kälber gewonnen, was den heutigen Ansprüchen an Ethik und Nachhaltigkeit widerspricht. Für klinische Studien, beispielsweise in der Stammzelltherapie, ist FBS aufgrund von Sicherheitsrisiken zudem meist ungeeignet. Zu diesen Risiken zählen die potenzielle Übertragung von Prionenerkrankungen, Zoonosen sowie die Möglichkeit, dass die xenogenen Proteine eine nachteilige Immunantwort beim Patienten hervorrufen.

Kein Wunder also, dass während des letzten Jahrzehnts neue, alternative Nährmedien den Weg auf den Markt fanden. Darunter hat sich ein humanes Produkt als besonders effektives und qualitativ hochwertigeres Zellkultursupplement bewiesen und in der Zellkultur etabliert: das humane Plättchenlysat (HPL).

Ergänzendes zum Thema
Zusammensetzung von Zellkulturmedien

Die Basis von Zellkulturmedien bilden so genannte Basalmedien, die grundlegende Nährstoffe wie Aminosäuren, Nukleotide, Salze und Vitamine bereitstellen. Die Zugabe eines Zellkultursupplements, das insbesondere Wachstumsfaktoren liefert, vervollständigt das Nährmedium. Die Auswahl eines geeigneten Zellkultursupplements ist an die Art der Anwendung und den Zelltypen gekoppelt. Zellkulturen finden in der Zell- und Molekularbiologie Einsatz, z. B. bei der Entwicklung und Herstellung von Impfstoffen, Pharmazeutika, therapeutischen Proteinen und Antikörpern sowie bei der Entwicklung regenerativer Therapien wie der Stammzelltherapie.

So funktioniert humanes Plättchenlysat

Abb. 2: In der regenerativen Medizin nimmt die Zellkultivierung eine herausragende Rolle als Therapiegrundlage ein.
Abb. 2: In der regenerativen Medizin nimmt die Zellkultivierung eine herausragende Rolle als Therapiegrundlage ein.
(Bild: PL Bioscience GmbH)

Ausgangsmaterial für HPL bilden Blutspenden, genauer gesagt Thrombozyten (Blutplättchen), die aufgrund von Haltbarkeitsauflagen nicht mehr bei Menschen zum Einsatz kommen können – damit ist das Nährmedium ein echtes Recyclingprodukt. Thrombozyten spielen eine zentrale Rolle für die Blutgerinnung: Schneiden wir uns in den Finger, kommt es zur Blutung und die Gerinnungskaskade, eine Kettenreaktion der beteiligten Faktoren, wird aktiviert. Thrombozyten heften sich an die Wunde und bilden mit Gerinnungsfaktoren eine Blutkruste, die die Wunde verschließt. Die somit einsetzende Wundheilung wird durch die von den Thrombozyten ausgeschütteten Wachstumsfaktoren initiiert.

Genau diese Wachstumsfaktoren werden während des Herstellungsprozesses von HPL extrahiert. Das Endprodukt ist ein Lysat, das reich ist an Wachstumsfaktoren und Zytokinen, die die Zellproliferation stimulieren sowie den Phänotypen und das Differenzierungspotenzial der Zellen erhalten. Das sorgt für einen geeigneten Nährboden für das Zellwachstum.

Nährmedien für die regenerative Medizin

Bei der Zellkultivierung gilt der Grundsatz: Je näher die Laborbedingungen den Bedingungen im ursprünglichen Zellorganismus sind, umso erfolgreicher ist eine Zellkultur. Insbesondere für die Entwicklung regenerativer Therapien mithilfe humaner Stammzellen sind deshalb humane statt tierischer Nährmedien gefragter denn je. Neben optimalen Zellkulturbedingungen bieten humane Nährmedien auch die notwendige Sicherheit, um die gezüchteten Zellen zur Behandlung von Patienten zu verwenden.

Durch die rasante Entwicklung neuer Therapien gewinnt auch die Translationsfähigkeit von Ergebnissen aus der Grundlagenforschung in die Therapie an Bedeutung. Zellkulturlabore sollten bei der Entwicklung ihrer Protokolle deshalb heute schon an morgen denken und ihre Nährmedien für die Zellkultivierung mit Bedacht wählen.

Abb. 3: Die Elarem-Technologie von PL Bioscience umfasst ein Portfolio mehrerer HPL-basierter Nährmedien, das sich für die breite Verwendung in der Life-Science-Industrie eignet.
Abb. 3: Die Elarem-Technologie von PL Bioscience umfasst ein Portfolio mehrerer HPL-basierter Nährmedien, das sich für die breite Verwendung in der Life-Science-Industrie eignet.
(Bild: PL Bioscience GmbH)

Erprobte Lösung

HPL ist ein wissenschaftlich erprobtes Zellkultursupplement, das sich von der Grundlagenforschung, dem Proof of Concept, bis hin zu klinischen Anwendungen wie der Stammzelltherapie bereits bewährt hat. Die Einsatzgebiete sind breit und umfassen eine Vielzahl humaner und tierischer Primärzellen sowie Zelllinien.

Durch das zur Transfusion freigegebene humane Ausgangsmaterial eignet sich HPL besonders gut für die Kultivierung humaner Stammzellen. Da durch den Einsatz von HPL sowohl Zellen als auch Medium humanen Ursprungs sind, ist ein nahtloser Transferprozess von Forschungsergebnissen in die Therapie möglich. So können Zellen von der Grundlagenforschung bis zur Stammzelltherapie in einem Medium kultiviert werden. Am Markt gibt es zurzeit sowohl kostengünstigere HPL-Produkte für die Grundlagenforschung als auch HPL-Produkte gemäß GMP (Good Manufacturing Practice), die u .a. für die Translation in die Klinik geeignet sind.

Universitäten und Forschungsinstitute wie das Karolinska-Institut in Schweden setzen für verschiedene klinische Studien mit mesenchymalen Stammzellen (MSCs) seit Jahren auf HPL und sind von den Ergebnissen überzeugt. Ebenso produzieren plastische Chirurgen des Rigshospitalet in Kopenhagen Stammzellen mithilfe von HPL zu Transplantationszwecken, um Gewebe zu rekonstruieren. Ergebnisse dieser randomisierten kontrollierten klinischen Studie wurden 2020 in der Open-Access-Datenbank des Journals „Stem Cells Translational Medicine“ publiziert.

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Bessere Ergebnisse mit HPL

In vielen Bereichen der akademischen Forschung ist FBS durch HPL ersetzbar. Die Qualität des Zellwachstums und die Performance der Zellverbände sind vergleichbar oder besser, wie publizierte Studien mit HPL von PL Bioscience belegen: So veröffentlichten Wissenschaftler der Universität Würzburg im Jahr 2019 in der Open-Access-Datenbank der Fachzeitschrift „Nature“ ihre Ergebnisse zur Verträglichkeit von Biomaterialien. Bei der Anzucht von Makrophagen und mesenchymalen Stammzellen in verschiedenen Nährmedien schnitt HPL besser ab als FBS. Eine Arbeitsgruppe des Universitätsklinikums Heidelberg belegte 2020 in einer im Open-Access-Journal „Cells“ publizierten Studie den positiven Einfluss von HPL auf die Zellproliferation mesenchymaler Stammzellen: Mit HPL erzielte die Gruppe eine doppelt so schnelle Proliferationsrate wie mit FBS.

Abb. 5: Mit Humanem Plättchenlysat ist eine nahtlosere Übertragbarkeit von Forschungsergebnissen und Therapeutika auf den Menschen möglich.
Abb. 5: Mit Humanem Plättchenlysat ist eine nahtlosere Übertragbarkeit von Forschungsergebnissen und Therapeutika auf den Menschen möglich.
(Bild: PL BioScience GmbH)

Ein 2021 im „Journal of Diabetes & Metabolic Disorders“ veröffentlichter Vorbericht zu einer nicht-randomisierten klinischen Studie (Phase 1) zeigte ein GMP-konformes Protokoll auf Basis von HPL auf. Auf dessen Grundlage wurde die Sicherheit und Effizienz der Stammzelltransplantation an Diabetes-Mellitus-Typ-1-Patienten als Alternative zur Insulintherapie erprobt. Die kurzfristige Sicherheit wurde im Anschluss an die einjährige Beobachtung der Patienten belegt. Für den Nachweis der Langzeitsicherheit werden weitere Untersuchungen benötigt.

Unkomplizierter Wechsel

Aufgrund der Homogenität von HPL sind keine ständigen Überprüfungen der Chargen nötig. Durch große Pools von Thrombozytenkonzentraten ist die Chargenkonsistenz sichergestellt und damit auch die Reproduzierbarkeit von Studienergebnissen. Der Wechsel von FBS zu HPL erfolgt in der Praxis unkompliziert: Bei tierischen Zellen kann eine sequenzielle Adaption der Zellen an das neue Zellkultursupplement notwendig sein. Dieser Vorgang ist nach ein bis zwei Passagen abgeschlossen. Humane Zellen vertragen i. d. R.einen direkten Wechsel zu HPL. Dabei gilt es, die optimale Konzentration (also den Anteil des humanen Plättchenlysats im Gesamtmedium) auszumachen. Je nach Zelle und Anwendung reicht eine Konzentration ab 2,5 bis 10 % (v/v), um vergleichbare Ergebnisse wie mit 10 % (v/v) FBS zu erzielen. Ist diese Konzentration einmal ermittelt, lässt sich der Zellkulturprozess nahtlos fortführen.

Viele Anwender haben bereits von FBS auf HPL umgestellt und damit positive Erfahrungen gemacht, beispielsweise auch am Institut für Zell- und Gewebekulturtechnologien der Universität für Bodenkultur Wien. Dessen Leiterin Prof. Cornelia Kasper berichtet: „Für die Kultivierung von MSCs aus verschiedenen Gewebequellen verwenden wir seit einigen Jahren HPL von PL Bioscience. Damit haben wir einen stabilen Serumersatz für unser Medium gefunden, der ethisch unbedenklich, definierter und in gleichbleibender Qualität erhältlich ist. Die Umstellung erfolgte problemlos innerhalb kurzer Zeit.“ Dr. Dominik Egger, Senior Scientist am Institut, ergänzt: „Wir können HPL in einer deutlich geringeren Konzentration als FBS, bei unverändertem Zellwachstum und gleichbleibender Funktionalität der Zellen, einsetzen. Dadurch verbrauchen wir weniger HPL als FBS und arbeiten effizienter.“

Fazit

Sie stehen kaum im Rampenlicht, aber nehmen in den Laboren eine wichtige Rolle ein: Nährmedien. Neue und qualitativ hochwertigere Alternativen zu den bislang genutzten tierischen Nährmedien bilden bereits heute einen entscheidenden Baustein für die Erforschung und Entwicklung neuer regenerativer Therapien.

* Dr. Hatim Hemeda, Gründer und CEO PL BioScience

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