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Bitte beachten Sie auch folgende Titel

R.Schwarz, M. Wenthe, H. Gasse

Histologie Lernprogramm

2002

ISBN 3-527-30636-6

B.Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter

Molekularbiologie der Zelle

December 2003

ISBN 3-527-30492-4

R.I.Freshney, R. Pfragner

Culture of Human Tumor Cells

April 2003

ISBN 0-471-43853-7

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Forschung mit menschlichen Stammzellen/ Research with Human Embryonic Stem Cells Denkschrift/Memorandum

March 2003

ISBN 3-527-27219-4

R.D.Schmid

Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik

2001

ISBN 3-527-30865-2

P.J.Quesenberry, G.S. Stein, B. Forget, S. Weissman

Stem Cell Biology and Gene Therapy

1998

ISBN 0-471-14656-0

Herausgeber

Prof. Dr. Will W. Minuth

Universität Regensburg

Institut für Anatomie

Universitätsstrasse 31

93053 Regensburg

Dr. Raimund Strehl

Universität Regensburg

Institut für Anatomie

Universitätsstrasse 31

93053 Regensburg

Dr. Karl Schumacher

Universität Regensburg

Institut für Anatomie

Universitätsstrasse 31

93053 Regensburg

Wichtiger Hinweis:

Forschung und klinische Tätigkeit erweitern permanent unsere Kenntnis. Soweit in diesem Buch deshalb eine Dosierung oder Applikation angesprochen wird, so darf der Leser darauf vertrauen, dass diese Angaben dem Wissensstand bei der Fertigstellung des Buches entsprechen. Dennoch gilt für jeden Benutzer, die Beipackzettel der verwendeten Präparate und Medizinprodukte zu überprüfen und in eigener Verantwortung Empfehlungen für Dosierung und Kontraindikationen in den jeweiligen Ländern zu beachten.

Finden der Literatur zu den Suchbegriffen

Da auf dem Gebiet der Zellbiologie und des Tissue Engineering ein enorm großer und vor allem ein sehr schneller Wissenszuwachs zu verzeichnen ist, haben wir anstatt Literaturreferenzen zu jedem Kapitel eine Reihe von Suchkriterien zusammengestellt. Anhand dieser ausgewählten Stichworte kann in jeder medizinischen oder biologischen Datenbank wie z.B. PubMed oder Biological Abstracts stets die aktuelle Literatur zum Thema abgerufen werden.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet.Dennoch übernehmen Herausgeber, Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Vorwort

Warum zu dieser Zeit dieses Buch? Einiges ist zusammen gekommen. Bei der Umstrukturierung unseres Labors mussten wir aufräumen, ordnen und archivieren. Viel interessantes Material aus vergangenen Tagen war aus ganz unterschiedlichen Gründen liegen geblieben, nicht weiter geführt und deshalb auch nicht veröffentlicht worden. Beim Sichten der Daten und Bilder stellten wir fest, dass wir aus nicht gelungenen Experimenten eigentlich viel mehr gelernt hatten als aus Versuchen, deren Daten nahtlos in das gerade gewählte Versuchsdesign passten. Wenn wir auf Schwierigkeiten gestoßen waren, haben wir nicht aufgegeben. Immer wieder stellten wir neue Fragen und führten weitere Experimente durch, bis wir zu logischen Erklärungen kamen.

Hinzu kam, dass wir im Laufe der Jahre viele Kurse für Zell- und Gewebekultur sowie Tissue Engineering für Teilnehmer aus dem In- und Ausland durchgeführt haben. Unsere Kursteilnehmer stellten dabei häufig so interessante und grundlegende Fragen, die aber mit Hilfe der bisher geschriebenen Bücher ungenügend oder gar nicht beantwortet werden konnten. Zur Lösung der Probleme waren intensive Recherchen in Datenbanken notwendig. Die Antworten zu diesen vielen Fragen haben wir skizziert, strukturiert und als Basiswissen in den vorliegenden Text eingearbeitet.

Obwohl wir täglich Studenten in mikroskopischer Anatomie ausbilden, ist uns beim Schreiben des vorliegenden Textes immer mehr klar geworden, wie wenig über die Entwicklung von funktionellen Geweben bekannt ist. Aber gerade dieser Aspekt hat zukünftig eine enorm große Bedeutung für die Herstellung von Gewebekonstrukten aus adulten Zellen oder aus Stammzellen bei der Anwendung am Patienten. Aus einzeln vorliegenden Zellen müssen sozial agierende Zellverbände hergestellt und als funktionelle Gewebe dem Patienten implantiert werden. Dabei darf es keine Gesundheitsgefährdung geben.

Dieses Buch stellt theoretische Grundlagen und experimentelle Konzepte vor, die den Einstieg in das neue Gebiet des Tissue Engineering ermöglichen sollen. Darüber hinaus soll das Buch Studenten, technischen Mitarbeitern und jungen Wissenschaftlern/innen Einblicke in die faszinierende Welt von entwicklungsfähigen Zellen und Geweben geben. Wir müssen uns darüber im Klaren sein, dass wir erst am Anfang einer sehr spannenden und zukunftsorientierten wissenschaftlichen Entwicklung stehen. Deshalb müssen wir uns erst darauf einrichten, viel Neues über die Ent wicklung von Geweben zu lernen. Nach genügender experimenteller Erfahrung wird sich noch im Laufe dieser Dekade das Tissue Engineering von einer rein empirischen zu einer analytisch reproduktiven Wissenschaft verändern. Wir werden lernen, die Gewebeentwicklung Schritt für Schritt zu überblicken und sie experimentell zu simulieren. Neben den molekularbiologischen Abläufen einer Gewebeentwicklung werden die epigenetischen Faktoren des Mikroenvironments dabei eine sehr große Rolle spielen. Außerdem müssen wir uns darauf einstellen, dass mit den Methoden der Zellkultur kein funktionelles Gewebe generiert werden kann.

Will W.Minuth, R. Strehl, K. Schumacher

Regensburg im Februar 2003

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Entwicklungsvorgänge

Zell-, Gewebe- und Organkulturen sind heute aus der biomedizinischen Forschung nicht mehr wegzudenken. Dies hat ganz unterschiedliche Gründe. Zum einen wurden in den letzten Jahren enorme Fortschritte bei der Klärung molekular- und zellbiologischer Vorgänge mithilfe kultivierter Zellen erzielt, zum andern ist die industrielle Produktion von vielen Medikamenten und Antikörpern ohne die verschiedenen Zellkulturen nicht mehr vorstellbar. Schließlich werden kultivierte Zellen immer wieder als eine mögliche Alternative zu Experimenten an Tieren in die Diskussion gebracht.

Alle Zellen unseres Organismus können mit den zur Verfügung stehenden modernen Methoden heute aus Geweben isoliert werden. Zudem können so gut wie alle Zellen heutzutage ohne größere Schwierigkeiten sowohl in analytisch kleinem wie auch im technisch großem Maßstab für die unterschiedlichsten Aufgaben kultiviert werden. Die Größenskala reicht von einzelnen Zellen in einem hängenden Tropfen bis zu Bioreaktoren mit tausenden von Litern Kulturmedium. Bei diesen Techniken kann man auf einer inzwischen circa 50jährigen experimentellen Erfahrung mit Zellkulturen aufbauen. Schlagworte für die moderne industrielle Anwendung und die damit verbundenen Arbeiten sind Cell culture engineering, Metabolic engineering, Bioprocessing genomics, Viral vaccines, Industrial cell culture processing, Process technology, Cell kinetics, Population kinetics, Insect cell culture, Medium design, Viral vector production, Cell line development, Process control und Industrial cell processing. Allerdings geht es bei fast allen diesen Vorhaben um eine spezielle Art der Kultur. Die jeweiligen Zellen sollen sich so schnell wie möglich vermehren, um mit hoher Effizienz ein Bioprodukt wie z.B. ein Medikament oder einen Impfstoff zu synthetisieren. Für alle diese Arbeiten wurde im Lauf der letzten Jahre eine breite Palette an innovativen Geräten entwickelt. Zudem sind Anwendungen so gut optimiert, dass in den nächsten Jahren kaum noch Effizienzsteigerungen zu erwarten sind. Informationen zu diesem speziellen Themenkomplex stehen zudem in einer großen Auswahl an bisher erschienenen Büchern zur Verfügung.

Ganz anders muss das Arbeiten mit Gewebekulturen und damit das Tissue Engineering gesehen werden. Hierbei geht es um den Erhalt bzw. um die Herstellung von funktionellen Geweben und Organteilen auf der Basis von kultivierten Zellen. Diese Konstrukte sollen zur Unterstützung der Regeneration, als Implantate oder als bioartifizielle Module am Krankenbett genutzt werden. Beim Tissue Engineering handelt es sich um eine vergleichsweise junge Technik, die auf einem erst ca. 10-15 Jahre alten Erfahrungsschatz aufbauen kann. Ganze Wissenschaftszweige aus dem Bereich der Biomaterialforschung, den Ingenieurwissenschaften, der Zellbiologie, der Biomedizin und den einzelnen Disziplinen in der Chirurgie müssen hier eng zusammen arbeiten.

Einerseits wurden in den letzten Jahren beachtliche Fortschritte bei der Herstellung von artifiziellen Geweben mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Methoden gemacht. Andererseits ist es dennoch eine Tatsache, dass die hergestellten Konstrukte noch nicht die notwendige gewebespezifische Qualität aufweisen. Leberparenchymzellen in bioartifiziellen Modulen z.B. zeigen nur einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Entgiftungsleistung, implantierte Pankreasinselzellen verlernen mit der Zeit ihre Fähigheit zur Insulinsynthese, Nierenepithelien wollen die benötigte Barrierebzw. Transportfunktion nicht aufrecht erhalten und Knorpel- bzw. Knochenkonstrukte bilden eine zu wenig belastbare extrazelluläre Matrix. Zudem kommt es häufig vor, dass Proteine von den Gewebekonstrukten gebildet werden, die untypisch sind und bei der medizinischen Anwendung Entzündungen, ja sogar Abstoßungsreaktionen hervorrufen können.

In der Öffentlichkeit wird von den Medien meist der Eindruck erweckt, dass schon in den nächsten, Tagen fast sämtliche bisher unheilbare Krankheiten mit einer Zelltherapie, dem Tissue Engineering oder dem Bau eines Organs therapiert werden können. Bevorzugt sollen dazu Stammzellen verwendet werden. Im Rampenlicht stehen ganz besonders die embryonalen Stammzellen, deren zukünftige Bedeutung in diesem Zusammenhang noch völlig offen ist und deren zellbiologischen Fähigkeiten kritiklos zu begeistern scheinen. Bei genauerer Betrachtung jedoch wird klar, dass die meisten Kenntnisse bisher an pluripotenten Stammzellen des hämatopoetischen Systems gewonnen wurden. Weitaus weniger Erfahrungen sind über die embryonalen Stammzellen bei Versuchs- und Nutztieren bekannt, ganz wenig und wirklich überprüfte experimentelle Daten gibt es zu den embryonalen Stammzellen des Menschen. Die in dieser Hinsicht gewonnenen Ergebnisse erscheinen neuerdings oft wenig euphorisch und offenbaren eine Menge an noch ungelösten Problemen.

Vergleichsweise wenig Kenntnis gibt es bisher auch zur Entwicklung von totipotenten Stammzellen des Menschen. Hier wird die internationale Forschung erst innerhalb des kommenden Jahrzehnts zeigen, ob die Versprechungen vieler Biotechfirmen einer kritischen Analyse wirklich standhalten. Mit isolierten Stammzellen allein kann man bei der Regeneration von funktionellen Geweben zunächst nichts bewirken. Stammzellen müssen wie alle anderen Gewebezellen zuerst einmal in genügender Menge vermehrt werden, dann soziale Zellverbände bilden und sich durch heute noch viele unbekannte Mechanismen zu spezialisierten Geweben entwickeln. In einem entstehenden Organismus laufen diese Entwicklungsvorgänge wie selbstverständlich ab. Versucht man dagegen unter in- vitro-Bedingungen diese Vorgänge zu simulieren, so stellt man fest, dass sich mit den heutigen Strategien noch recht unvollständige Eigenschaften in den Konstrukten entwickeln.

Zukünftiger Themenschwerpunkt beim Tissue Engineering ist es deshalb aus unserer Sicht herauszufinden, wie funktionelle Gewebe in Kultur generiert werden können und wie die Ausbildung von Eigenschaften individuell gesteuert werden kann. Artifizielle Gewebe werden nur dann für den Menschen eine sinnvolle Therapieform darstellen, wenn ohne dem Patienten zu schaden damit eine Erkrankung überwunden werden kann. Dabei muss das hergestellte Gewebe die notwendigen funktionellen Eigenschaften als Regenerationsgewebe, Implantat oder Biomodul aufweisen.

Jeden Tag haben wir in der Makroskopischen sowie in der mikroskopischen Anatomie mit allen Arten von funktionellen Geweben des erwachsenen Organismus zu tun. In Bereichen des erwachsenen Organismus und damit am Endpunkt der Entwicklung kennen wir uns naturgemäß aus. Zahlreiche gesicherte Erkenntnisse gibt es auch zur frühembryonalen Entwicklung des Menschen, da viel über die Entwicklung der Urgewebe in den Keimblättern des Embryo gearbeitet wurde. Jeder Zeitpunkt und Ort der Entstehung eines bestimmten Gewebes oder Organs ist genau untersucht worden. Überraschend wenig ist dagegen über die Entwicklungsmechanismen in den entstehenden funktionellen Geweben bekannt. Die Kenntnis über diese Entwicklung allerdings beinhaltet den Schlüssel zur Herstellung von optimalen artifiziellen Geweben.

Die einzelnen Datenbanken sind wenig ergiebig, wenn Daten zur funktionellen Gewebeentstehung abgefragt werden. Es mag überraschen, aber wir konnten auch kein Buch über die Vorgänge bei der funktionellen Gewebeentstehung finden. In jünster Zeit sind jedoch auf diesem Gebiet verstärkte Aktivitäten zu beobachten. Es gibt verschiedene Ansätze, die Entstehung der Grundgewebe mit ihren funktionellen Facetten molekularbiologisch zu erklären. Treibende Kraft dafür sind sicherlich die Stammzellen. Es hat sich gezeigt, dass sich auch diese Zellart nicht automatisch zu den einzelnen funktionellen Geweben entwickelt. Nur die genaue Kenntnis über die spezifische Entwicklungsphysiologie kann zur Generierung von optimalen Geweben führen.

Im Bereich der regenerativen Medizin gibt es faszinierende und noch völlig ungeklärte Fragen, warum sich z.B. manche Zellen in einem Organismus ein Leben, Monate oder Wochen lang nicht teilen, während andere Zellen innerhalb von Tagen erneuert werden. Häufig liegen beide Vorgänge sogar unmittelbar benachbart in den einzelnen Geweben vor. Dies kann nicht allein auf die Wirkung von Wachstumsfaktoren und morphogene Substanzen zurückgeführt werden. Vielmehr muss das jeweilige Mikromilieu und die Zellinteraktion einen wesentlichen Einfluss auf das individuelle Regenerationsverhalten haben. Dies bedeutet, dass zukünftig der Blick für die Entwicklungsbedürfnisse von Geweben neu geschärft und entsprechend erweitert werden muss.

[Suchkriterien: Cell culture; Organ culture; Tissue culture; Tissue Engineering]