Entwicklung einer mikroskopierbaren Perfusions-Kulturkammer für die Kultivierung, die In-Vitro-Vitalitäts- und die Funktionsdiagnostik von endokrinen Zellen

A perfusion-culture system to cultivate and test the vitality and functional dynamics of endocrine Cells and tissues

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-20282
  • Als Therapie des Diabetes mellitus Typ II stellt die Xenotransplantation von porzinen Langerhans-Inseln in mikroverkapselter Form eine attraktive Alternative zu den täglichen Insulininjektionen dar. Kultivierung und Funktionsdiagnostik der isolierten porzinen Langerhans-Inseln sind technisch anspruchsvoll und bieten noch immer Potential für Verbesserungen. Werden die Zellen in Zellkulturflaschen über mehrere Tage kultiviert, sinkt die Vitalität unter ein akzeptables Niveau. Bei der Beurteilung der Vitalität und Funktion der Inseln gehenAls Therapie des Diabetes mellitus Typ II stellt die Xenotransplantation von porzinen Langerhans-Inseln in mikroverkapselter Form eine attraktive Alternative zu den täglichen Insulininjektionen dar. Kultivierung und Funktionsdiagnostik der isolierten porzinen Langerhans-Inseln sind technisch anspruchsvoll und bieten noch immer Potential für Verbesserungen. Werden die Zellen in Zellkulturflaschen über mehrere Tage kultiviert, sinkt die Vitalität unter ein akzeptables Niveau. Bei der Beurteilung der Vitalität und Funktion der Inseln gehen wertvolle Zellen für eine spätere Transplantation verloren. Dies schränkt eine ausgiebige Diagnostik vor der Transplantation ein. Ziel der Arbeit ist es, eine Möglichkeit zur Verbesserung der Kulturbedingungen zu finden und exakte Ergebnisse bei der Funktions- und Vitalitätsdiagnostik ohne Verlust von Zellen zu erreichen. Vorversuche konnten beweisen, dass eine Verbesserung der Vitalität von Langerhans-Inseln in Kultur an der Methode der Kultivierung in Zellkulturflaschen scheitert. Stattdessen wurde das Prinzip der Perfusionskultur in spezialisierten Behältnissen für die systematische Verbesserung der Kulturbedingungen und zur genaueren Diagnostik mittels Mikroskopie und Funktionsdiagnostik gewählt. Mit einem solchen System ist sowohl Kultivierung als auch Funktions- und Vitalitätsdiagnostik in einem Behälter möglich. Beim Prinzip der Perfusionskultur befindet sich das Medium stets in Bewegung um die Zellen und Gewebe und sorgt so für einen kontinuierlichen Zustrom exakt definierten Mediums und permanenten Abtransport der Stoffwechselprodukte. Im Rahmen dieser Arbeit wurde für die Anforderungen im eigenen Labor ein maßgeschneidertes System mit mehreren Versionen von Behältnissen für Perfusionskulturen entwickelt, deren jeweils neuere Version auf den Erfahrungen mit den Vorversionen aufbaut. In die Entwicklung fließen ebenso umfangreiche theoretische Überlegungen ein, sowie systematische Tests zu den physikalischen Eigenschaften der Behältnisse. Die zuletzt entwickelte ist die Version V6SMTE, die in der Arbeit „Würzburger Kammer“ genannt wird. Dieser Behälter ist aus Edelstahl, mit einem Deckglas zur makro- und mikroskopischen Begutachtung, Zu- und Abläufen und einem Anschluss zum Entfernen von Gasblasen. Im Inneren befindet sich ein Einsatz, der eine stufenlose Regulierung des Volumens um die Zellen ermöglicht, so dass für Kultur und Funktionsprüfung bzw. Mikroskopie jeweils optimale Bedingungen erreicht werden. Weiterhin kann über einen Temperatursensor die Temperatur im Inneren des Behälters gemessen und über Heizelemente an der Außenwand computergesteuert reguliert werden. Die Zellen und Gewebe können auf unterschiedlichen Trägermaterialien eingesetzt werden. Während der Kultur kann ein Deckel geöffnet und die Zellen manipuliert werden. Das System ist unabhängig vom Brutschrank, ist sterilisierbar und wieder verwendbar. Kultiviert wurde endokrines Gewebe (isolierte Langerhans-Inseln, humanes Nebenschilddrüsengewebe). Dieses wurde zur Funktionsprüfung mit verschiedenen Mediatoren stimuliert, das Medium fraktioniert aufgefangen und sein Hormongehalt mit ELISA oder RIA bestimmt. Die Zellen wurden nativ und mit Fluoreszenzfarbstoffen (FDA, PI) gefärbt mit bis zu 400facher Vergrößerung unter dem Auflichtmikroskop beurteilt. Im Zuge der Auswertung der anfallenden Proben auf ihren Insulingehalt wurde für diese Arbeit ein Insulin-ELISA entwickelt, der bei vergleichbarer Genauigkeit deutlich günstiger ist, als der bisher verwendete kommerzielle ELISA. Mit der Würzburger Kammer kultivierte Langerhans-Inseln zeigten eine vergleichbare Vitalität im Vergleich zur Zellkulturflasche, die mit der Würzburger Kammer gewonnenen Perifusionskurven sind in hohem Maß reproduzierbar, Zusammenhänge von Höhe der Glukoseexposition und Kultivierungsdauer mit der Insulinausschüttungskurve konnten eindrucksvoll beschrieben werden. Erstmals wurde auch im eigenen Labor die aus der Literatur bekannte paradoxe Insulinausschüttung beschrieben. Beispielhaft für andere endokrine Gewebe wurde humanes Nebenschilddrüsengewebe erfolgreich in der Würzburger Kammer kultiviert und Vitalitäts- und Funktionsdiagnostik unterzogen. Das Kultursystem ermöglicht die Kultivierung und eine komplette Analyse von Funktion, Vitalität und Morphologie von endokrinen Zellen. Es kann somit in idealer Weise zur Verbesserung der Kulturbedingungen und zur Beurteilung von endokrinen Zellen vor der Transplantation herangezogen werden.show moreshow less
  • Therapy of the diabetes mellitus typ II by xenotransplantation of microencapsuled porcine Islets of Langerhans is an attractive alternative to daily injections of insulin. However cultivation and functional diagnostics of these isolated porcine Islets of Langerhans are challenging and there is still potential for improvement. Islets cultivated in culture-flasks for more than only 3 days suffer from bad vitality and altered functionality. Cells used for performing vitality-staining and perifusion to test the functionality have to be dropped awayTherapy of the diabetes mellitus typ II by xenotransplantation of microencapsuled porcine Islets of Langerhans is an attractive alternative to daily injections of insulin. However cultivation and functional diagnostics of these isolated porcine Islets of Langerhans are challenging and there is still potential for improvement. Islets cultivated in culture-flasks for more than only 3 days suffer from bad vitality and altered functionality. Cells used for performing vitality-staining and perifusion to test the functionality have to be dropped away and cannot be used for later transplantation. This delimitates quantity and quality of diagnostic procedures prior to transplantation. Goal of this study is to find a way of obtaining accurate information about vitality and viability of the Islets of Langerhans without losing cells on diagnostics and to use this information on the improvement of culture conditions. Preliminary results showed that an improvement of culture conditions cannot be achieved with cultivation of Islets of Langerhans in culture-flasks. Instead of that the perfusion-culture concept showed to be most promising for that problem because with this concept cultivation of cells as well as functional and vitality diagnostics can be performed within one single container. To meet the demands in our laboratory a special container named “Würzburger Kammer” has been developed for this study. It is made of high-grade steel with a cover slip for macro- and microscopic observation and a variable internal space to have optimum conditions for cultivation as well as perifusion and microscopy. Temperature inside the container can be controlled by a regulating system consisting of a microprocessor and a temperature sensor inside the container and a heating unit outside the container. Different carrier materials can be inserted. The top of the container can be opened while the perfusion container is in operation and cells can be manipulated. The system is a self-contained device, which has not to be operated in an incubator. Perifusion as a test for the function of the Islets of Langerhans can easily be performed by changing the media and collecing fractionated samples afterwards. Microscopy can be done with a magnification factor of up to 400. To analyse the samples collected during the perifusion for the concentration of insulin a low-priced enzyme-linked-immuno-assay was developed. In this study we proved that with the “Würzburger Kammer” it is possible to cultivate isolated porcine Islets of Langerhans as well as human Parathyroid cells and that precise vitality and functional diagnostics can be performed by microscopy and perifusion. The results of these tests were more accurate and reliable than former tests using microscopy slides and doing perifusion without the “Würzburger Kammer”. So this perfusion culture system helps to improve quality of cultivation and diagnostics of islets of Langerhans prior to transplantation and allows for better results in transplantation one day.show moreshow less

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Metadaten
Author: Alexander Georg Kerscher
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-20282
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Medizinische Fakultät
Faculties:Medizinische Fakultät / Klinik und Poliklinik für Allgemein-, Viszeral-, Gefäß- und Kinderchirurgie (Chirurgische Klinik I)
Date of final exam:2006/10/31
Language:German
Year of Completion:2006
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
Tag:Inselzellen; Langerhans; Nebenschilddrüsen; Perfusionskultur; Perifusion; Tissue Engineering; Verkapselung; Zellkultur; endokrin
Cellculture; Insulin; container; endocrine; parathyroid cells; perfusion-culture; perifusion; tissue engineering; vitality-staining
Release Date:2006/11/17
Advisor:Prof. Dr. rer. nat. Karin Ulrichs