Herma Glöckner

• Monolayer or suspension cell cultures are of only limited value as experimental models for human cancer. Therefore, more sophisticated, three-dimensional culture systems like spheroid cultures or histocultures are used, which more closely mimic the tumor in individual patients compared to monolayer or suspension cultures. As tissue culture or tissue engineering requires more sophisticated culture, specialized in vitro techniques may also improve experimental tumor models. In the present work, a new miniaturized hollow-fiber bioreactor systemMonolayer or suspension cell cultures are of only limited value as experimental models for human cancer. Therefore, more sophisticated, three-dimensional culture systems like spheroid cultures or histocultures are used, which more closely mimic the tumor in individual patients compared to monolayer or suspension cultures. As tissue culture or tissue engineering requires more sophisticated culture, specialized in vitro techniques may also improve experimental tumor models. In the present work, a new miniaturized hollow-fiber bioreactor system for mammalian cell culture in small volumes (up to 3 ml) is characterized with regard to transport characteristics and growth of leukemic cell lines (chapter 2). Cell and medium compartment are separated by dialysis membranes and oxygenation is accomplished using oxygenation membranes. Due to a transparent housing, cells can be observed by microscopy during culture. The leukemic cell lines CCRF-CEM, HL-60 and REH were cultivated up to densities of 3.5 x 107/ml without medium change or manipulation of the cells. Growth and viability of the cells in the bioreactor were the same or better, and the viable cell count was always higher compared to culture in Transwellâ plates. As shown using CCRF-CEM cells, growth in the bioreactor was strongly influenced and could be controlled by the medium flow rate. As a consequence, consumption of glucose and generation of lactate varied with the flow rate. Influx of low molecular weight substances in the cell compartment could be regulated by variation of the concentration in the medium compartment. Thus, time dependent concentration profiles (e.g. pharmacokinetic profiles of drugs) can be realized as illustrated using glucose as a model compound. Depending on the molecular size cut-off of the membranes used, added growth factors like GM-CSF and IL-3 as well as factors secreted from the cells are retained in the cell compartment for up to one week. Second, a method for monitoring cell proliferation the hollow-fiber bioreactor by use of the Alamar BlueTM dye was developed (chapter 3). Alamar BlueTM is a non-fluorescent compound which yields a fluorescent product after reduction e.g. by living cells. In contrast to the MTT-assay, the Alamar BlueTM-assay does not lead to cell death. However, when not removed from the cells, the Alamar BlueTM dye shows a reversible, time- and concentration-dependent growth inhibition as observed for leukemic cell lines. When applied in the medium compartment of a hollow-fiber bioreactor system, the dye is delivered to the cells across the hollow-fiber membrane, reduced by the cells and released from the cell into the medium compartment back again. Thus, fluorescence intensity can be measured in medium samples reflecting growth of the cells in the cell compartment. This procedure offers several advantages. First, exposure of the cells to the dye can be reduced compared to conventional culture in plates. Second, handling steps are minimized since no sample of the cells needs to be taken for readout. Moreover, for the exchange of medium, a centrifugation step can be avoided and the cells can be cultivated further. Third, the method allows to discriminate between cell densities of 105, 106 and 107 of proliferating HL-60 cells cultivated in the cell compartment of the bioreactor. Measurement of fluorescence in the medium compartment is more sensitive compared to glucose or lactate measurement for cell counts below 106 cells/ml, in particular. In conclusion, the Alamar BlueTM-assay combined with the hollow-fiber bioreactor offers distinct advantages for the non-invasive monitoring of cell viability and proliferation in a closed system. In chapter 4 the use of the hollow-fiber bioreactor as a tool for toxicity testing was investigated, as current models for toxicity as well as efficacy testing of drugs in vitro allow only limited conclusions with regard to the in vivo situation. Examples of the drawbacks of current test systems are the lack of realistic in vitro tumor models and difficulties to model drug pharmacokinetics. The bioreactor proved to be pyrogen free and is steam-sterilizable. Leukemic cell lines like HL-60 and primary cells such as PHA-stimulated lymphocytes can be grown up to high densities of 1-3 x 107 and analyzed during growth in the bioreactor by light-microscopy. The cytostatic drug Ara-C shows a dose-dependent growth inhibition of HL-60 cells and a dose-response curve similar to controls in culture plates. The bioreactor system is highly flexible since several systems can be run in parallel, soluble drugs can be delivered continuously via a perfusion membrane and gaseous compounds via an oxygenation membrane which also allows to control pO2 and pH (via pCO2) during culture in the cell compartment. The modular concept of the bioreactor system allows realization of a variety of different design properties, which may lead to an improved in vitro system for toxicity testing by more closely resembling the in vivo situation. Whereas several distinct advantages of the new system have been demonstrated, more work has to be done to promote in vitro systems in toxicity testing and drug development further and to reduce the need for animal tests.…
• Konventionelle Zellkulturmethoden, wie Monolayer- oder Suspensionskulturen weisen im Vergleich zu dreidimensionalen Kultursystemen (z.B. Sphäroid- oder Gewebekultur) wesentliche Limitationen auf. So sind in vitro Systeme als Modelle für humane Tumore häufig ungeeignet, besonders im Hinblick auf die Wirkstofftestung von Zytostatika. Dreidimensionale Kulturmodelle, die dem Verhalten von Tumoren in vivo besser entsprechen, erfordern technisch ausgereiftere Kulturtechniken als die konventionelle Zellkultur. Diese könnten dazu beitragen, eineKonventionelle Zellkulturmethoden, wie Monolayer- oder Suspensionskulturen weisen im Vergleich zu dreidimensionalen Kultursystemen (z.B. Sphäroid- oder Gewebekultur) wesentliche Limitationen auf. So sind in vitro Systeme als Modelle für humane Tumore häufig ungeeignet, besonders im Hinblick auf die Wirkstofftestung von Zytostatika. Dreidimensionale Kulturmodelle, die dem Verhalten von Tumoren in vivo besser entsprechen, erfordern technisch ausgereiftere Kulturtechniken als die konventionelle Zellkultur. Diese könnten dazu beitragen, eine dreidimensionale Kultur von Gewebe und dadurch in vivo ähnliche Bedingungen zu realisieren. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuentwickelter, miniaturisierter Hohlfaserbioreakor hinsichtlich seiner Transportcharakteristik, sowie bezüglich des Wachstums von leukämischen Zellinien untersucht (Kapitel 2). Der Zellkulturraum, mit einem Volumen von bis zu 3 ml, ist durch Dialysemembranen vom Mediumkompartiment getrennt. Eine zusätzliche Oxygenierung der Zellkultur erfolgt über Oxygenationsmembranen. Aufgrund der Verwendung eines transparenten Gehäuses können die Zellen während der Kultur mikroskopisch beobachtet werden. Die leukämischen Zellinien CCRF-CEM, HL-60 und REH konnten in dem neuen Hohlfaserbioreaktor in Zelldichten bis 3.5 x 107/ml kultiviert werden, ohne daß ein Mediumwechsel oder eine andere Manipulation der Zellkultur notwendig war. Das Wachstum und die Vitalität der Zellkulturen war vergleichbar oder besser als von Kontrollen in Transwellâ Kulturen. Wie für die Zellinie CCRF-CEM gezeigt werden konnte, war das Wachstum der Zellen abhängig von der Mediumflußrate und konnte durch deren Variation kontrolliert werden. Daraus resultierte auch ein veränderter Glukoseverbrauch und eine veränderte Laktatproduktion der Zellen. Der Eintrag von niedermolekularen Substanzen in den Zellkulturraum konnte durch die Variation der Konzentration der Substanz im Mediumkompartiment reguliert werden. Auf diese Weise können zeitabhängige Konzentrationsprofile, z. B. pharmakokinetische Profile von Wirkstoffen, realisiert werden, wie mit der Modellsubstanz Glukose gezeigt wurde. Abhängig vom molekularen Cut-off der verwendeten Membranen, werden im Zellkulturraum sowohl zugegebene, als auch autokrine Faktoren für bis zu einer Woche zurückgehalten, wie für GM-CSF oder IL-3 gezeigt wurde. Weiterhin wurde eine Methode entwickelt, um in dem miniaturisierten Hohlfaserbioreaktor die Zellproliferation mittels des Farbstoffes Alamar BlueTM zu ermitteln (Kapitel 3). Alamar BlueTM ist ein nicht-fluoreszierender Farbstoff, der nach Reduktion durch z.B. lebende Zellen in ein fluoreszierendes Produkt umgewandelt wird. Im Gegensatz zum MTT-Assay, führt der Alamar BlueTM-Assay jedoch nicht zum Zelltod. Wird der Farbstoff nicht aus der Zellkultur entfernt, zeigt sich eine reversible, zeit- und konzentrationsabhängige Wachstumsinhibiton der Zellen, wie für leukämische Zellinien gezeigt werden konnte. Verwendet man den Farbstoff im Mediumkompartiment eines Hohlfaserbioreaktor-System, wird er über die Hohlfasermembran zu den Zellen angeliefert, von den Zellen reduziert, und über die Membran wieder in das Mediumkompartiment abgeführt. Auf diese Weise reflektiert die Zunahme der Fluoreszenz im Mediumkompartiment das Wachstum der Zellen im Zellkulturraum. Das Verfahren bietet mehrere Vorteile: Erstens kann der Kontakt der Zellen mit dem Farbstoff im Vergleich zur konventionellen Zellkultur reduziert werden und das notwendige Handling wird minimiert, da keine Probennahme aus der Zellkultur zur Auswertung erforderlich ist. Zweitens ist zum Austauschen des Mediums kein Zentrifugationsschritt notwendig, so daß die Zellen ohne Störung weiterkultiviert werden können. Drittens erlaubt diese Methode eine Diskriminierung von Zelldichten von 105, 106 und 107 proliferierenden HL-60 Zellen im Zellkulturraum des Bioreaktors. Es konnte gezeigt werden, daß die Fluoreszenzmessung im Mediumkompartment im Vergleich zur Messung von Glukose oder Laktat besonders für Zellzahlen unterhalb 106 Zellen/ml sensitiver ist. Zusammenfassend bietet der Alamar BlueTM-Assay in Verbindung mit dem Hohlfaserbioreaktor klare Vorteile für ein nicht-invasives Monitoring der Zellvitalität und Proliferation in einem geschlossenen System. In Kapitel 4 wird die Verwendung des miniturisierten Hohlfaserbioreaktors als Modellsystem für toxikologische Untersuchungen beschrieben. Gegenwärtig fehlen realisitische in vitro Modelle, vor allem zur Modellierung von pharmakokinetischen Profilen. Der Bioreaktor erwies sich als pyrogenfrei und dampfsterilisierbar. Leukämische Zellinien, z. B. HL-60 Zellen sowie Primärzellen, wie z. B. PHA-stimulierte Lymphozyten konnten in Zelldichten bis zu 1-3 x 107 Zellen/ml kultiviert werden. Das Zytostatikum Ara-C wies eine dosisabhängige Wachstumsinhibition im Hohlfaserbioreaktor auf, wie für HL-60 Zellen gezeigt wurde. Die Dosis-Wirkungs-Kurve war vergleichbar dem Ergebnis in 96-Well-Platten. Das Bioreaktor System bietet eine hohe Flexibilität, da mehrere Systeme parallel untersucht werden können. Lösliche Substanzen können kontinuierlich über die Perfusionsmembran angeliefert werden und gasförmige Komponenten über die Oxygenationsmembran. Diese ermöglicht zudem eine Kontrolle des pO2 und des pH-Wertes (via pCO2) im Zellkompartiment während der Kultur. Das modulare Konzept des Bioreaktor Systems ermöglicht die Realisierung unterschiedlicher Designs. Obgleich einige deutliche Vorteile des neuen Bioreaktorsystems gezeigt wurden, müssen weitere Untersuchungen durchgeführt werden, um den Einsatz von in vitro Systemen in der Entwicklung neuer Wirkstoffe voranzutreiben und die Notwendigkeit von Tierexperimenten zu verringern.…