Regenerative Medizin

Die Regenerative Medizin ist das medizinische Fachgebiet, das sich mit der Entwicklung zellbasierter Therapien zum Ersatz, zur Reparatur und zur Behandlung von erkrankten oder verletzten Geweben und Organen befasst. Aufgrund der Fähigkeit, sich zu mehrere Zelltypen differenzieren zu können, werden hauptsächlich Stammzellen verwendet. Zur Therapeutik-Entwicklung werden multipotente Stammzellen, wie beispielsweise mesenchymale Stammzellen (MSCs), pluripotente Stammzellen, (z.B. embryonale Stammzellen (ESCs)) sowie induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) verwendet.

Die sichere Kultivierung, Differenzierung und schließlich die Anwendung von Stammzellen sind daher von großer Bedeutung in der regenerativen Medizin. Das „Cell Manufacturing “ von Stammzellen in größeren Maßstäben wird am zuverlässigsten unter lichtmikroskopischer Begutachtung durchgeführt, um Schlüsselindikatoren in Bezug auf Zustand und Qualität der Kultur quantitativ zu bestimmen und zu bewerten. Solche Indikatoren können Proliferationsrate, Koloniebildung und allgemeine morphologische Merkmale etc. umfassen.

Produkte für die Regenerative Medizin

137-Stunden-Zeitraffervideo (Intervalle: 40-Minuten) von menschlichen iPS-Zellen, Phasenkontrast.

Herkunft: Dr. Masahiro Kino-Oka und Dr. Mee Hae Kim, Osaka University, Graduate School of Engineering, Dept. Biotech, BioProcess Systems Engineering Lab

Das Nikon Zellbeobachtungssystem BioStudio-T passt in die meisten Inkubatoren und Bio-Sicherheitswerkbänke, die in Zellkulturlabors verwendet werden. Mit seinem einzigartigen Objektiv-Scanning-Mechanismus bleibt das jeweilige Kulturgefäß stationär und wird lückenlos mit Phasenkontrast durchmikroskopiert. Die Gefäße können darüber hinaus ausgetauscht werden, ohne, dass Positionsinformationen verloren gehen. Dieser Mechanismus, bei dem das Objektiv in XY verfährt wurde entwickelt, um Anwendungen insbesondere in der Stammzellkultur zu unterstützen. Mit dem kompatiblen Modul „Zellanalyse“ für die NIS-Elements-Software können Bestimmungen der hPSC-Koloniezahl, des Konfluenzgrades und anderer Faktoren für verschiedene Assays durchgeführt werden.

Das Zellbeobachtungssystem BioStudio-mini ist ein ultra-kompaktes Mikroskop für den Einbau in Labor-Arbeitsplätze für die Herstellung von Zellen. Mehrere strategische Partner von Nikon auf diesem Gebiet haben dieses inverse Mikroskop in ihre Bio-Sicherheitswerkbänke integriert, wobei der Mikroskoptisch bündig mit der jeweiligen Arbeitsfläche ist.

Die mehrfach preisgekrönten, inversen Mikroskope ECLIPSE Ts2 und Ts2-FL von Nikon sind kompakt und für Routinearbeiten im Zellkulturlabor entwickelt. Das Ts2-FL verfügt über alle Funktionen des Ts2, bietet aber zusätzlich eine integrierte LED-basierte Fluoreszenzeinrichtung. Diese Mikroskope sind beliebt für routinemäßige Zellkulturarbeiten und werden häufiger in Labors der Grundlagenforschung als in Labors von Herstellern von Zellen eingesetzt.

●: enthalten, ⚬: option

Kompatible Mikroskopiertechniken	BioStudio-T	BioStudio-mini	ECLIPSE Ts2
	BioStudio-T Zellbeobachtungsmikroskop	BioStudio-mini Zellbeobachtungssystem	ECLIPSE Ts2 Inverse Mikroskope
Beleuchtungsquelle für Durchlicht	Red LED	Red LED	Blau-LED mit weißem Phosphor
Bewegungsmechanismus für die XYZ-Positionen	motorisiert in XYZ	motorisiert in Z (optional)	manuell
Kameras	Eingebauter CMOS-Detektor (monochrom)	Eingebauter CMOS-Detektor (monochrom)	Frei auswählbar (optional)
Für Multiwell-Platten, Kulturschalen und -flaschen	yes	yes	yes
Kann mit H₂O₂-Dampf dekontaminiert werden	yes	yes	no
Tauglich für Einrichtungen zur Herstellung von Zellen („Zellfabriken“)	yes	yes	no
Hellfeld	no	no	yes
Weitfeld-Fluoreszenz	no	no	TS2-FL
Nikon Emboss Kontrast	no	no	yes
Phasenkontrast	yes	yes	yes

Diskussion: Regenerative Medizin

Die Anwendung eines Zellanalyse-Softwaremoduls, mit dem das Binärbild von iPSC-Kolonien, gewonnen aus den Daten im Phasenkontrastbild im Overlay dargestellt wird. Die Anzahl der Kolonien und ihre jeweilige Fläche können gemessen werden.

Von der Zellkultur zur Zellherstellung

Die Kultivierung und Herstellung von Zellen zur Erzeugung eines therapeutischen Produkts unterscheidet sich recht erheblich von der Zellkultur, wie sie routinemäßig in einem akademischen oder Grundlagenforschungsumfeld durchgeführt wird. Die Herstellung von Zellen in der Gesundheits- und Pharmaindustrie erfordert ein höheres Maß an Qualitätskontrolle und ökonomischer Effizienz und unterliegt deutlich stärkeren Vorschriften. Man verfolgt stets das Ziel, ein Qualitätsprodukt herzustellen, das die erforderlichen Standards erfüllt, muss aber auf der anderen Seite immer die Kosten im budgetierten Rahmen halten.

Der Einsatz der Bildanalyse für gesicherte Entscheidungsfindungen trägt dazu bei, eines der größten Hindernisse für eine vorausschauende Produktion zu überwinden – die Abhängigkeit von der menschlichen Subjektivität, die selbst bei erfahrenem Personal zu mehr oder weniger Veränderlichkeit führt. Qualitative Methoden, z.B. „nach der Aussaat drei Mal das Gefäß schütteln“, können mit quantitativen Bildanalysetechniken auf den Prüfstand gestellt und formalisiert werden.

Das Nachzüchten und Konstruieren „künstlicher“ Gewebe und Organe aus Stammzellen zur Patientenimplantation findet bereits statt, z. B. beim „Tissue Engineering“ von Hauttransplantaten. Klinische Tests von noch komplexeren Zellsystemen sind im Gange. Das letztendliche Ziel ist es, voll funktionsfähige Organe wie z.B. das Herz kultivieren zu können. Beachten Sie, dass 3D-konstruierte Gewebe, einschließlich verschiedener Arten von Organoiden, auch für Medikamententests verwendet werden. Klicken Sie hier, um weitere Informationen zu dieser Anwendung auf unserer Seite „Lösungen für die Wirkstoff- und Arzneimittelentdeckung“ anzuzeigen.

Die Animation zeigt, wie das BioStudio-mini in eine Bio-Sicherheitswerkbank für das Arbeiten mit Zellkulturen eingebaut werden kann.

Das Minimieren von Störungen für empfindliche Zellkulturen

Viele Zelltypen werden in vitro kultiviert, Primärzellen, die aus frischem Gewebe gewonnen wurden, immortalisierte Zelllinien und Stammzellen. Kulturen immortalisierter Zelllinien, wie sie häufig für die biologische Grundlagenforschung verwendet werden, können zum Teil erhebliche Belastungen aushalten, z. B. unangemessene Aussaatdichte, längere Zeit außerhalb des Inkubators usw. Stammzellen neigen dazu, empfindlicher auf Störungen zu reagieren. Eine sehr strenge Beachtung der Kulturbedingungen ist daher wichtig, wenn mit Stammzellen gearbeitet wird, insbesondere wenn sie im Zusammenhang mit der Herstellung eines Therapeutikums kultiviert werden.

Es ist sehr wichtig, die Inkubationsbedingungen und deren Stetigkeit zu berücksichtigenden. Das BioStudio-T und das BioStudio-mini sind deshalb angemessen kompakt konzipiert, dass beide in vorhandene Inkubatoren und Bio-Sicherheitswerkbänke passen.

Vibrationen sind ein weiterer Störfaktor. Unter anderem können Vibrationen Stress in den Zellen verursachen und nach Gefäßberührung und -transfers ihr Aussaatmuster beeinflussen. Um Vibrationen zu minimieren, verwendet das BioStudio-T für das Durchmustern der Zellkulturen die Strategie, mit dem Objektiv in XY zu verfahren, und die gesamte stationäre Probe Bild für Bild („tiles“) zu erfassen, anstatt dafür die Probe zu bewegen.

Ein weiteres Problem ist die Phototoxizität. Aus diesem Grund wird vorwiegend eine Technik mit vergleichsweise geringer Beleuchtungsintensität wie die Phasenkontrastmikroskopie bevorzugt. Fluoreszenzmarkierungen greifen immer in die Probe ein und die Fluoreszenzmikroskopie selbst kann phototoxisch sein. Die Instrumente der BioStudio-Serie von Nikon nutzen Phasenkontrast mit einer roten LED zur Beleuchtung. Rotes Licht trägt weniger Energie und ist weniger phototoxisch als die Bestrahlung mit blauem Licht.

Cell x Image Lab – Eine Ressource für erfolgreiches Arbeiten mit Zellkulturen

Ein strategischer Fokus der Nikon Healthcare ist die Unterstützung der Regenerativen Medizin. Dafür haben wir die Cell x Image Lab-Website gestartet. Dort wird ausführlich beschrieben, wie die Mikroskopie und Bildanalyse eingesetzt werden können, um für Prozesse und Verfahren in der Zellkultur die Vorteile quantitativer Analysen zu realisieren und die Erfolgsrate und Reproduzierbarkeit bei der Herstellung von Zellen zu verbessern. Die Mikroskopie und Bildanalyse sind auch nützlich für die Qualitätssicherung und die Entwicklung neuer Prozesse und Verfahren.

Die Cell x Image Lab-Website umfasst sowohl einen einführenden Teil mit grundlegenden Informationen über das Gebiet als auch zahlreiche Fallstudien, in denen spezifische Anwendungen der Mikroskopie und Bildanalyse bei der Kultivierung und Herstellung von Zellen detailliert beschrieben werden.

Glossar

Beleuchtungsquelle für Durchlicht: Beleuchtungsquellen für Durchlicht-Mikroskopiertechniken sind üblicherweise entweder lichtemittierende Dioden (LEDs) oder Halogenlampen. LEDs sind heller, umweltfreundlicher und energieeffizienter.
Bewegungsmechanismus für die XYZ-Positionen: Prinzip und Richtung, mit dem die Positionierung der Probe oder des abrasternden Objektivs mit motorisierten Systemkomponenten erfolgt, beispielsweise die (Z-) Fokusbewegung des Objektivs mit einem Z-Motor, oder manuell.
Für Multiwell-Platten, Kulturschalen und -flaschen: Das sind die üblicherweise verwendeten Gefäße für die Kultivierung von Zellen. Nikon hat für die gängigen Gefäßsorten und Standardgrößen entsprechende Tische bzw. Tischeinsätze verfügbar.
Kameras: Nikon bietet eine Vielzahl von Optionen für Kameras, darunter schnelle Farb- und Monochrom-CMOS-Kameras.
Kann mit H₂O₂-Dampf dekontaminiert werden: Die Dekontamination mit Wasserstoffperoxid-Dampf ist ein Standard für Equipment in geschlossenen Sicherheitsräumen. Sie wird häufig in Krankenhäusern und anderen medizinischen Einrichtungen eingesetzt.
Kompatible Mikroskopiertechniken: Die Phasenkontrastmikroskopie ist der Standard in der Kultivierung und Herstellung von Zellen, jedoch sind gegebenenfalls auch andere Techniken (z. B. Fluoreszenz) erforderlich.
Tauglich für Einrichtungen zur Herstellung von Zellen („Zellfabriken“): Dies bezieht sich darauf, ob Systeme geeignet sind, gängige Assays durchzuführen, die bei der Herstellung von Zellen notwendig sind (z. B. Identifizierung von Stammzellkolonien).