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Plasma in Tüten

07.11.2011

© Fraunhofer IST

Die Zellkulturbeutel vor (oben) und während der Beschichtung (unten).

Geschlossene Plastikbeutel lassen sich mit Hilfe von Plasmen bei Atmosphärendruck so verändern, dass an ihren Wänden menschliche Zellen anhaften und sich vermehren können. Solche Zellkulturbeutel stellen ein wichtiges Hilfsmittel für Forschung und Klinik dar und könnten vielleicht eines Tages die heutigen Petrischalen ablösen.

Ärzte setzen bei Therapien immer häufiger lebende Zellen ein: bei der Bluttransfusion ebenso wie bei Knochenmarkstransplantationen, bei Stammzelltherapien oder nach schweren Verbrennungen. Zellen, die vom Patienten selbst stammen, sind ideal, um verbrannte Haut zu ersetzen, Immundefekte zu beheben, degenerierte Knorpel zu reparieren oder verletzte Knochen zu heilen, denn sie werden vom Immunsystem nicht abgestoßen. Dazu ist es nötig, solche Zellen patientenspezifisch aufzubewahren, zu züchten, zu vermehren oder gar zu verändern. Problematisch ist jedoch die Haltbarkeit der verwendeten Zelllösungen. Da sie leicht durch Keime infiziert werden, lassen sie sich in den heute üblichen Gefäßen meist nur wenige Tage lagern. Das Verbundprojekt InnoSurf sollte da Abhilfe schaffen: Wissenschaftler aus fünf Forschungseinrichtungen haben mit Partnern aus der Industrie neuartige Kunststoffoberflächen und Messverfahren zur effizienten Gewinnung von humanen Zellen für diagnostische und therapeutische Anwendungen entwickelt. Die Arbeiten wurden vom Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig koordiniert.

Die Idee ist, die Zellen in geschlossenen, sterilen Kunststoffbeuteln zu kultivieren. Dazu muss man die innere Oberfläche der Beutel so verändern, dass sie Zellen gute Überlebensbedingungen bieten. Ein Team um Dr. Michael Thomas am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig hat dafür nun ein plasmatechnisches Verfahren bei Atmosphärendruck entwickelt. »Wir befüllen die Beutel mit einem spezifischen Gasgemisch und legen eine elektrische Spannung an«, erklärt die wissenschaftliche Mitarbeiterin Dr. Kristina Lachmann. »So entsteht im Inneren für kurze Zeit ein Plasma – also ein leuchtendes, ionisiertes Gas –, das die Kunststoffoberfläche chemisch verändert.« Bei diesem Prozess bleibt der Beutel steril, da Plasmen auch eine desinfizierende Wirkung besitzen. »Der Vorteil des Verfahrens ist, dass es bei Atmosphärendruck arbeitet und damit preiswert, schnell und flexibel ist«, betont Gruppenleiter Dr. Michael Thomas, der auf die Anwendung von solchen Atmosphärendruck-Plasmen zur Veränderung von Oberflächen spezialisiert ist.

Die neuartigen Beutel erleichtern den sterilen Umgang mit den Zellkulturen. Bisher mussten Forscher und Mediziner offene Petrischalen, Flaschen oder Bioreaktoren nutzen. Da diese Systeme zumindest zum Befüllen geöffnet werden müssen, kommt es leicht zu Verunreinigungen. Beim Verwenden geschlossener Beutelsysteme der neuen Technik hingegen wandern die Zellen direkt über eine Injektionsnadel oder durch angeschlossene Schlauchsysteme in den Beutel, ohne mit der Umgebung in Berührung zu kommen. Im sterilen Inneren der Beutel befinden sich das Nährmedium und keimfreie Luft oder ein geeignetes Gas, das man vorher zugegeben hat. Auch während des Kultivierungsprozesses muss man die Behältnisse nicht öffnen, und am Ende lassen sich die Zellen erneut über eine Injektionsnadel entnehmen.

Die Forscher wollen die Einwegsysteme vielleicht auch zum Züchten künstlicher Organe verwenden. Rüstet man die Beutel mit einer dreidimensionalen Struktur aus, könnten sich darauf Zellen festsetzen und künstliche Haut, Nerven, Knorpel oder Knochen bilden, die man dann dem Patienten als Prothesen einsetzen könnte. Bisher scheiterte deren Züchtung meist daran, dass sich die Stammzellen nicht auf räumlichen Gebilden festsetzen wollten. Das am IST entwickelte Plasmaverfahren könnte dieses Problem lösen. Das Städtische Klinikum Braunschweig will in Zusammenarbeit mit der Universität Tübingen aus Gewebeproben bestimmte Stammzellen isolieren und untersuchen, auf welchen der neuen Kunststoff-Oberflächen sie sich etwa zu Knochen oder Knorpel entwickeln. Für diese Entwicklung der Gruppe von Dr. Michael Thomas wurde das IST als »Ausgewählter Ort 2011« im »Land der Ideen« ausgezeichnet. Die Preisverleihung findet am 8. Dezember 2011 am IST in Braunschweig statt.

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