Das CelVivo System ermöglicht es, Zellen eine Umgebung zu bieten, in der sie eine Funktionalität entwickeln, die der des intakten Organismus wesentlich ähnlicher ist als die der zweidimensionalen Zellkultur. Dadurch ergeben sich vollkommen neue Erkenntnisse in toxikologischen Studien, der Krebsforschung oder der regenerativen Medizin.

Der Trend zur 3D-Zellkultur ist nicht mehr zu übersehen. In den vergangenen zehn Jahren nahm die Anzahl der Publikationen im Bereich der 3D-Kultur exponentiell zu. Während vor gut zehn Jahren gerade etwa fünftausend Publikationen zu diesem Thema existierten, befassen sich heute bereits über 22'000 Publikationen mit der dreidimensionalen Zellkultur. Aktuell kommen jährlich knapp dreitausend neue Veröffentlichungen dazu.

Suchanfrage 3D-Kultur — In den letzten zehn Jahren nahm die Anzahl der Publikationen im Bereich der 3D-Kultur exponentiell zu.

Grenzen zweidimensionaler Zellkultur

Der Grund für diesen Trend sind die erheblichen Einschränkungen, welche die zweidimensionale Zellkultur mit sich bringt. So verhalten sich Zellen, die unter flachen (2D) Bedingungen gezüchtet wurden, nicht wie Zellen, die im Organismus wachsen. Die Aktivität, das Wachstum und die interzelluläre Kommunikation sind im Wirtsorganismus anders als in der 2D-Zellkultur.

Ausserdem zerstört das Trypsinisieren der Zellen während der Passagierung die extrazelluläre Matrix der Zellen und somit einen Teil der Steuerung der Zellaktivität. Somit können nur bedingt physiologisch relevante Daten aus der 2D-Zellkultur gewonnen werden.

Komplexere Zellmodelle wie Sphäroide oder Organoide sind dagegen in der Lage, physiologische Eigenschaften des nativen Gewebes darzustellen. Es ist jedoch schwierig, diese vielschichtigen Zellmodelle über einen längeren Zeitraum zu kultivieren. Häufig variieren die Zellcluster in Form und Grösse und erschweren so die Reproduzierbarkeit der Experimente.

Schwierigkeiten mit der dreidimensionalen Kultur

Um die physiologischen Eigenschaften der Zellen zu erhalten und die Lebensfähigkeit der 3D-Zellmodelle zu erhöhen, haben sich Systeme mit Gerüsten, Gelen oder anderen Arten von Zusätzen entwickelt. Diese wiederum können die natürliche Genexpression aus dem Gleichgewicht bringen und die Funktionalität der 3D-Kulturen wieder herabsetzten.

**3D-Zellkultur mit der Funktionalität der in-vivo-Bedingung**

Um die Funktionalität von grossen dreidimensionalen gewebe-mimetischen Strukturen zu fördern, müssen die Zellen also möglichst nahe an den in-vivo-Bedingungen gehalten werden. Ein simuliertes Mikrogravitationssystem ist die Lösung für den Erhalt der Funktion, Architektur und Ultrastruktur in dreidimensionalen Zellkulturen.

Die Schwerkraft hat den grossen Vorteil, dass die Zellen sehr geringen Scherkräften ausgesetzt sind. Ein rotierender Bioreaktor hält die Zellen in einem Schwebzustand, indem die Gravitationskräfte von allen Seiten auf die Zellen einwirken können. Dadurch wird eine Umgebung geschaffen, welche die Funktionalität von grossen 3D-Strukturen wie Sphäroiden, Organoiden, Acini und anderen Aggregaten fördert. Es entstehen grosse Sphäroide mit gleichmässiger Grösse.

Aktive Diffusion im 3D-Cluster

Ausserdem bietet die aktive Diffusion einen sehr guten Gas- und Nährstoffaustausch. Sauerstoff gelangt problemlos in den Kern der Zellcluster. Aktive Transportmechanismen benötigen viel Energie. Diese Stoffwechselaktivität der Zellen zeigt, wie lebendig und lebensfähig die 3D-Cluster im Mikrogravitationssystem sind.

Reduziertes Zellwachstum führt zu mehr Zellaktivität

Im Vergleich zur klassischen 2D-Standard-Zellkultur nimmt die Proliferation der Zellen im ClinoStar-Gravitationssystem dramatisch ab. So sind HepG2-Zellen in 2D nach 5 Tagen bereits zu 100% konfluent, während die gleichen Zellen im 3D-System nach 42 Tagen in Kultur eine Grösse von 1400 µm und eine Proliferationsrate von >60 Tagen erreichen. Das langsamere Zellwachstum spiegelt die tatsächliche in-vivo-Situation wider. Durch das langsamere Wachstum können die Zellen ihre Energie statt in Wachstum in ihre funktionellen Aufgaben investieren.

Misst man die Funktionalität in Hepatozyten, beispielsweise an der Harnstoff-, Cholesterin- und Glykogenproduktion, so stellt man fest, dass in einer 2D-Zellkultur so gut wie keine Produktion der Stoffe stattfindet. In den ClinoStar-Kulturen steigt der Harnstoff- und Cholesterinspiegel während der Reifung auf in-vivo-Konzentrationen an.

Nach 21 Tagen erreichen die Zellen die in-vivo-Situation. Der ClinoStar ermöglicht, die reale Situation im Gewebe beziehungsweise Organ zu imitieren. Die physiologischen Veränderungen und die Wiederherstellung der in-vivo-Funktionalität ermöglichen es, Sphäroide, Organoide oder andere Aggregate zu kultivieren, die die Besonderheiten des lebenden Organismus realitätsgetreu wiedergeben.

ClinoStar & ClinoReactor

Bessere Ergebnisse durch das Mikrogravitationssystem

Der ClinoStar ist ein CO²-Inkubator mit Mikrogravitationssystem, der das Kultivieren von dreidimensionalen Strukturen einfach und reproduzierbar macht. Ein Gewinn an in-vivo-ähnlichen physiologischen Eigenschaften verbessert die Aussagekraft von wissenschaftlichen Studien. Der Klinostat kann so die Wirksamkeit von toxikologischen Studien – sowohl akut als auch chronisch (Einzeldosis oder wiederholte Dosis) – steigern. Ausserdem kann er in der Krebsforschung, der regenerativen Medizin und der Entdeckung von Medikamenten eingesetzt werden.

Der ClinoStar ermöglicht die Produktion einheitlicher, reproduzierbarer und funktioneller Sphäroide und Organoide. Diese Sphäroide imitieren die Funktion, Struktur und Architektur vom lebenden Organismus realitätsgetreu. So entsteht eine bisher nie dagewesene Korrelation zwischen Zellkultur und Zellfunktion unter Laborbedingungen.

Das CelVivo System – Funktionale 3D-Strukturen so nah an der in-vivo-Situation wie nie zuvor!

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