Wie verändert man die Innenwand eines geschlossenen Beutels ohne ihn zu öffnen? Dr. Kristina Lachmann vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik in Braunschweig hat die Antwort gefunden. Plasma! Eine Maschine befüllt den durchsichtigen Beutel aus Polyäthylen mit Helium. Es zischt in der speziell dafür entwickelten Apparatur. Im nächsten Schritt muss das Gas gezündet werden. Mit 12.000 Volt.
"Über dem Beutel und unter dem Beutel ist eine Elektrode angebracht. Dann wird die Hochspannung angestellt und wir zünden das Plasma. Und es bekommt – in dem Fall von Helium – eine lila schimmernde Farbe. Und wir können je nach Zusatz, den wir dem Gas beimischen, verschiedene Schichten im Beutel erzeugen."
Der Zusatz ist wichtig, damit später einmal menschliche Zellen auf der Innenseite der Kunststoffbeutel wachsen. Normalerweise ist Polyäthylen, das Material, aus dem der Beutel besteht, wasserabweisend und glatt. Zellen können da nicht andocken. Doch der Schicht bildende Zusatz ist benetzbar und trägt auch noch positiv geladene Aminogruppen. Menschliche Zellen indes haben – physikalisch gesehen – mehr negative Ladungsträger in der äußeren Zellwand. Da sich Gegensätze anziehen, wirkt die positiv geladene Beschichtung des Beutels wie ein Klebstoff für die Zellen. Lachmann:
"Für viele Zellen verwenden wir einen Schichtbildner, der Aminogruppen trägt. Und dieses Molekül, das verwendet wird, heißt Aminopropyltrimethoxisilan - APTMS - und das hat halt diese Aminogruppen, die dann während der Beschichtung erhalten bleiben und dann mit den Zellen eine Wechselwirkung eingehen und so halt den Zellen eine attraktive Oberfläche bieten, was der Kunststoff vorher eben nicht getan hat."
Für diese Entwicklung wurden die Wissenschaftler aus Braunschweig vor wenigen Wochen mit dem Fraunhofer-Preis "Technik für den Menschen" ausgezeichnet. Die Suche nach der richtigen Beschichtung konnte allerdings nur in Zusammenarbeit mit bio-medizinisch orientierten Kollegen geschehen. Denn nach jeder Beschichtung musste erkundet werden, ob die Stammzellen damit klarkommen. In Braunschweig bot sich dazu das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung – HZI - mit Dr. Werner Lindenmaier an.
"Der Beutel, wie wir ihn jetzt für die Entwicklung des Verfahrens verwenden, hat etwa 100 Milliliter. Das heißt, eine Fläche von 150 Quadratzentimeter, auf denen die Zellen dann tatsächlich wachsen. Die Folie ist partiell gasdurchlässig, so dass die Versorgung mit dem Umgebungsgas im Brutschrank gesichert ist. Und das Medium wird über die sterilen Schlauchverbindungen zugegeben und ausgetauscht, ohne dass eine Exposition zur Umgebung stattfindet."
Im HZI konnte man nun erstmals eine Suspension aus bindegewebsbildenden Stammzellen in Beuteln züchten. In dem beschichteten Beutel suchen die Zellen sofort den Kontakt zur Beutelwand. Dann beginnt auch schon die Zellteilung. Eine Art "Zellrasen" entsteht, der beizeiten abgeerntet werden kann. Ohne Beschichtung würde das Verfahren nicht funktionieren. Denn Zellen, die keine geeignete Oberfläche zum Andocken finden, wachsen nicht. Lindenmaier:
"So wie das im Moment konzipiert ist, ist das ein System, um Zellen zu züchten. Was man dann hinterher mit diesen Zellen sekundär anfängt, das ist, was man sich noch überlegen kann. Wir haben gesehen, dass dieses Kultursystem eigentlich geeignet sein sollte, die Zellen zu kultivieren."
Sterile Stammzellen aller Art für den Aufbau von Knochen, Muskeln oder Bindegewebe in beliebigen Mengen, das sollen die beschichteten Beutel eines Tages liefern. Ein Problem ist allerdings noch zu lösen: Die Beutel benötigen für den Einsatz in der klinischen Praxis noch eine Zulassung. Jetzt suchen die Forscher nach einem Unternehmen, das diesen bürokratischen und wohl nicht weniger aufwändigen Job übernimmt.
"Über dem Beutel und unter dem Beutel ist eine Elektrode angebracht. Dann wird die Hochspannung angestellt und wir zünden das Plasma. Und es bekommt – in dem Fall von Helium – eine lila schimmernde Farbe. Und wir können je nach Zusatz, den wir dem Gas beimischen, verschiedene Schichten im Beutel erzeugen."
Der Zusatz ist wichtig, damit später einmal menschliche Zellen auf der Innenseite der Kunststoffbeutel wachsen. Normalerweise ist Polyäthylen, das Material, aus dem der Beutel besteht, wasserabweisend und glatt. Zellen können da nicht andocken. Doch der Schicht bildende Zusatz ist benetzbar und trägt auch noch positiv geladene Aminogruppen. Menschliche Zellen indes haben – physikalisch gesehen – mehr negative Ladungsträger in der äußeren Zellwand. Da sich Gegensätze anziehen, wirkt die positiv geladene Beschichtung des Beutels wie ein Klebstoff für die Zellen. Lachmann:
"Für viele Zellen verwenden wir einen Schichtbildner, der Aminogruppen trägt. Und dieses Molekül, das verwendet wird, heißt Aminopropyltrimethoxisilan - APTMS - und das hat halt diese Aminogruppen, die dann während der Beschichtung erhalten bleiben und dann mit den Zellen eine Wechselwirkung eingehen und so halt den Zellen eine attraktive Oberfläche bieten, was der Kunststoff vorher eben nicht getan hat."
Für diese Entwicklung wurden die Wissenschaftler aus Braunschweig vor wenigen Wochen mit dem Fraunhofer-Preis "Technik für den Menschen" ausgezeichnet. Die Suche nach der richtigen Beschichtung konnte allerdings nur in Zusammenarbeit mit bio-medizinisch orientierten Kollegen geschehen. Denn nach jeder Beschichtung musste erkundet werden, ob die Stammzellen damit klarkommen. In Braunschweig bot sich dazu das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung – HZI - mit Dr. Werner Lindenmaier an.
"Der Beutel, wie wir ihn jetzt für die Entwicklung des Verfahrens verwenden, hat etwa 100 Milliliter. Das heißt, eine Fläche von 150 Quadratzentimeter, auf denen die Zellen dann tatsächlich wachsen. Die Folie ist partiell gasdurchlässig, so dass die Versorgung mit dem Umgebungsgas im Brutschrank gesichert ist. Und das Medium wird über die sterilen Schlauchverbindungen zugegeben und ausgetauscht, ohne dass eine Exposition zur Umgebung stattfindet."
Im HZI konnte man nun erstmals eine Suspension aus bindegewebsbildenden Stammzellen in Beuteln züchten. In dem beschichteten Beutel suchen die Zellen sofort den Kontakt zur Beutelwand. Dann beginnt auch schon die Zellteilung. Eine Art "Zellrasen" entsteht, der beizeiten abgeerntet werden kann. Ohne Beschichtung würde das Verfahren nicht funktionieren. Denn Zellen, die keine geeignete Oberfläche zum Andocken finden, wachsen nicht. Lindenmaier:
"So wie das im Moment konzipiert ist, ist das ein System, um Zellen zu züchten. Was man dann hinterher mit diesen Zellen sekundär anfängt, das ist, was man sich noch überlegen kann. Wir haben gesehen, dass dieses Kultursystem eigentlich geeignet sein sollte, die Zellen zu kultivieren."
Sterile Stammzellen aller Art für den Aufbau von Knochen, Muskeln oder Bindegewebe in beliebigen Mengen, das sollen die beschichteten Beutel eines Tages liefern. Ein Problem ist allerdings noch zu lösen: Die Beutel benötigen für den Einsatz in der klinischen Praxis noch eine Zulassung. Jetzt suchen die Forscher nach einem Unternehmen, das diesen bürokratischen und wohl nicht weniger aufwändigen Job übernimmt.