Zur verbesserten Bedienbarkeit der Bioreaktorsysteme, die mit wachsenden Anforderungen an die Kultivierungsbedingungen stark in ihrer Komplexität zunehmen, werden parallel zur eigentlichen Bioreaktorentwicklung periphere Systeme entworfen, die den Umgang mit den Bioreaktoren erleichtern.

Abbildung 3 und 4 zeigen einen Inkubator für die Transplantatherstellung unter GMP-Bedingungen, der eine optimale Integration von Bioreaktoren ermöglicht.

• Systembiologie für das Tissue Engineering mesenchymaler Stammzellen: Integration neuer experimenteller Methoden und mathematischer Modelle.

Zur Reaktorauslegung können systembiologische Methoden angewandt werden. So beispielsweise beim Aufbau eines gewebespezifischen Bioreaktors für die Kultur und Differenzierung mesenchymaler Stammzellen aus dem Knochenmark. Mesenchymale Stammzellen (MSC) können in verschiedene Zellen des Körpers wie beispielsweise Knorpel-, Knochen- oder Muskelzellen differenzieren und lassen sich deshalb zur Regeneration verschiedener Gewebe einsetzen. Für solche Zelltherapien müssen die Zellen jedoch vermehrt und effektiv in den jeweiligen gewebespezifischen Zelltyp differenziert werden.

In Zusammenarbeit mit Instituten des Center of Systems Biology (CSB) und dem Max-Planck Institut wird derzeit an der Optimierung einer Methode zur Differenzierung von MSC in Osteoblasten (knochenbildende Zellen) geforscht. Hierzu wird die Stimulation der Zellen durch die Verknüpfung biochemischer Signalstoffe mit mechanischer Belastung evaluiert. Die mechanische Belastung wird beispielsweise durch das Erzeugen definierter Drücke über geregelte Pumpsysteme angelegt. Die Umsetzung der im Versuchsmaßstab gewonnen Erkenntnisse erfolgt innerhalb eines Bioreaktorsystems, das sowohl die Zellexpansion sowie die gezielte Differenzierung der Zellen erlaubt.

• 3-D-Tumorprogression und Tumortherapie des malignen Melanoms

Bei diesem Projekt entwickeln wir zusammen mit unseren Partnern vom Institut für Zellbiologie und Immunologie (IZI) der Universität Stuttgart ein vaskularisiertes Hautäquivalent, das als In-vitro-Testsystem zur Untersuchung des malignen Melanoms genutzt werden kann (Bild 1).

• VascuBone: Development of a toolbox for tailor-made angio-inductive or vascularized bone implants

Zu unseren Kernkompetenzen zählt die Entwicklung von Bioreaktoren für verschiedenste Anwendungen im Tissue Engineering. Dabei können wir auf große Erfahrungen in der Entwicklung von Reaktoren zur Zellexpansion von primären Zellen, zur Kultivierung von Geweben unter Mediumfluss, zur Kultivierung von Geweben an einer Luft-Medium-Grenzfläche sowie zur Kultivierung von komplexen vaskularisierten Geweben zurückgreifen.

Unseren Kunden können wir dabei alle Prozessschritte von einer ersten Konstruktionszeichnung über die Simulation wichtiger Kenngrößen, der 3-D-Konstruktion bis hin zur Endfertigung anbieten (Bilder 1 und 2). Außerdem können wir speziell für Tissue-Engineering-Anwendungen entwickelte Inkubatorsysteme, die zum Betrieb von Bioreaktorsystemen benötigt werden, zur Verfügung stellen.

Weiterhin erstellen wir für Fragestellungen aus der Bioverfahrenstechnik Simulationen, die Aufschluss über Problemstellungen ermöglichen, die experimentell nur mit hohem Aufwand ermittelbar sind.

Neben den Standardarbeitsgeräten für Zellkultur wie Sterilbänken und Brutschränken wurden speziell für den Umgang mit Bioreaktoren Inkubatorsysteme entwickelt, die einen Betrieb der verwendeten Reaktoren bei physiologischen Bedingungen ermöglicht. Zur Aufprägung von physiologischen, gewebespezifischen Reizen können diese Inkubatorsysteme mit computergesteuerten Pumpen und axial Motoren erweitert werden. Zur Berechnung der aufzuprägenden Reize verwenden wir modernste Modellierungs-Software. Dazu steht neben der jeweiligen Software auch die entsprechende Rechenleistung über Serversysteme zur Verfügung (Bild 1).

Die Konstruktion der Bioreaktoren als auch der Inkubatorsysteme erfolgt in einer CAD-Softwareumgebung, die gleichzeitig auch für die geometrischen Abbildungen der Modellierung dienen. Für die mathematische Modellierung und Simulation der Prozesse steht zusätzliche Software zur Verfügung, mit der detaillierte Vorhersagen und Simulationen auch in mikroskopischen Bereichen durchgeführt werden können.