3D-Kultivierung humaner osteoblastärer Zellen unter gefäßähnlicher Nährstoffversorgung

Zusammenfassung

Studienziel: Die Behandlung von Knochenverletzungen jenseits kritischer Defektgrößen stellt ein großes therapeutisches Problem dar. Das tissue engineering von Knochen könnte hierbei zum Wiederaufbau verloren gegangener Knochensubstanz eingesetzt werden. Doch sind die bisher entwickelten Konstrukte aufgrund mangelnder Sauerstoff- und Nährstoffversorgung der Zellen im Zentrum in ihren maximalen Ausmaßen beschränkt. Ziel dieser Studie war deshalb die Etablierung einer Osteoblastenkultur in einer 3D-Kulturkammer mit einer künstlichen, gefäßähnlichen, zentralen Membran, um eine kontinuierliche Versorgung der Zellen mit Nährstoffen zu gewährleisten. Methode: Humane osteoblastäre Zellen wurden in einer Kulturkammer über einen Zeitraum von einer Woche in vitro dreidimensional kultiviert. Die Nährstoffversorgung erfolgte hierbei über eine gefäßähnliche, semipermeable Membran aus Polysulfon mit kontinuierlichem Medienfluss. Nach Fixierung und Anfertigung von Gefrierschnitten wurden diese histologisch, immunhistologisch und rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Ergebnisse: Die Ergebnisse zeigen, dass humane osteoblastäre Zellen dreidimensional um das Zentralgefäß wachsen und eine extrazelluläre Matrix ausbilden, die reich an Kollagen I und Fibronektin ist. Darüber hinaus konnte mittels Rasterelektronenmikroskopie die Zelladhärenz auf der Oberfläche des Polysulfonschlauches nachgewiesen werden. Schlussfolgerung: Der neuartige Ansatz einer 3D-Kultivierung in einem System mit zentraler Nährstoffversorgung eröffnet neue Möglichkeiten für die in vitro Kultivierung im Rahmen des tissue engineering.

Abstract

Aim: The treatment of large, critical-size bone defects is a major therapeutic problem in orthopaedic and reconstructive surgery. The engineering of bone tissue could be used to replace lost bone mass. However, scaffolds seeded with vital cells and cultured in vitro suffer from poor oxygen and nutrient supply centrally, when the constructs exceed a critical volume. Therefore, we have established an osteoblastic cell culture in a new 3D-culture chamber with an artificial, vessel-like central membrane, allowing continuous nutrient supply. Method: Human osteoblasts were cultured in a 3D-like manner using a perfusion chamber for one week. In this system, the nutrient supply is guaranteed by a vessel-like, semipermeable polysulfone membrane with a continuous flow of medium. After fixation and cryosectioning, histological and immunohistological staining and scanning electron microscopy was carried out. Results: Examinations reveal 3D cell growth around the central vessel. Formation of an extracellular matrix, rich in collagen type I and fibronectin, was detected immunohistochemically. Furthermore, we demonstrated cell adherence to the membrane and examined the surface morphology by scanning electron microscopy. Conclusion: The innovative approach for 3D-culturing of human osteoblasts in a system with a central nutrient supply opens up new possibilities for the in vitro cultivation for tissue engineering.

Schlüsselwörter

Knochenersatz - humane Osteoblasten - 3D-Zellkultur - Gefäßversorgung

Key words

Bone replacement - human osteoblast - 3D-cell culture - blood supply

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1 Beide Autoren haben gleichviel zu dieser Publikation beigetragen.