Bioreaktorsystem zur videomikroskopischen Langzeituntersuchung von Zellen in Mono- und Kokultur

Abstract

Die Erfassung von Morphologie und Bewegung sowie mono- und heterotypischer Interaktionen kultivierter Zellen stellt einen wichtigen Aspekt der medizinischen Forschung dar. Mikroskopische Zeitrafferaufnahmen können Aufschluss über das Verhalten von Zellen in vitro geben, und werden insbesondere bei Fragestellungen zur Zellmotilität und Zell-Zell-Interaktion herangezogen. Eine parallele mikroskopische Beobachtung mehrerer Zellpopulationen bei gleichzeitiger Kontrolle der Versuchsparameter stellt allerdings weiterhin eine Herausforderung dar. Besonders kontinuierlich betriebene Bioreaktoren erfüllen die dafür nötigen Voraussetzungen. In der vorliegenden Arbeit wurden hohlfaserbasierte, mikroskopierbare Bioreaktoren in ein System zur Langzeitkultivierung von Zellen eingebunden. Durch Einsatz bezüglich Temperatur, pH und pO2 getrennt regelbarer Perfusionskreisläufe sowie der Kombination eines piezoelektrischen Mikroskoptischs mit einer steuerbaren Kamera können die Bioreaktoren einzeln adressiert werden. Dies ermöglicht die cinemikrographische Analyse von Zellen unter variierbaren Bedingungen. Das System wurde auf Robustheit getestet und im Folgenden in Experimenten zu Zellverhalten und -interaktion angewendet. Die parallele Analyse von beliebig wählbaren Bereichen in einem oder mehreren Reaktoren ermöglicht die Anwendung in Kokulturexperimenten. Das Reaktordesign wurde angepasst, um Ziel- und Feederzellen in indirekter Kokultur zu beobachten und mit der Monokultur zu vergleichen. Das Konzept der „connected co-culture“ wurde anhand von primären parenchymalen und nicht-parenchymalen Leberzellen überprüft.

The analysis of morphology and motility as well as mono- and heterotypic interactions of cultured cells is an important aspect of biomedical research. Microscopic time-lapse imaging can give insights into cell behaviour in vitro, especially in the context of cell motility and cell-cell interactions. However, microscopic analysis of higher numbers of distinct cell populations while maintaining homogenous culture conditions is challenging. Continuously perfused bioreactors meet the requirements for exact control of process parameters. In this study, hollow-fibre based bioreactors were integrated into a system for long-term microscopic observation of cultured cells. Distinct perfusion loops and a combination of a piezo-electric microscope stage with a digital camera allowed the control and observation of individual bioreactors, thus enabling cinemicrographic analysis of cells under user defined conditions. The system was characterized regarding perfusion and process control and was subsequently applied in studies on cell behaviour in vitro. The analysis of user defined regions of interest in parallel made the system applicable for co-culture experiments. The design of the reactors des was modified to allow indirect co-culturing of feeder- and target cells. As proof- of-concept, primary parenchymal and non-parenchymal liver cells were analysed in connected co-culture.