DE102008015635A1 - Perfundierbarer Bioreaktor zur defektadaptierten Herstellung von menschlichen oder tierischen Geweben - Google Patents

Perfundierbarer Bioreaktor zur defektadaptierten Herstellung von menschlichen oder tierischen Geweben Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen perfundierbaren Bioreaktor zur Herstellung von menschlichen oder tierischen Geweben, wobei deren Herstellung auf einem im Innenraum kultivierten Konstrukt basiert, der Innenraum von einer Hülle umschlossen ist und zumindest einen Einlass und einen Auslass für ein flüssiges Nähr-Medium besitzt, der Einlass mit einer Einheit zur Erzeugung eines Perfusionsdrucks des Nähr-Mediums verbindbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen perfundierbaren Bioreaktor zur Herstellung von menschlichen oder tierischen Geweben, wobei deren Herstellung auf einem im Innenraum kultivierten Konstrukt basiert, der Innenraum von einer Hülle umschlossen ist und zumindest einen Einlass und einen Auslass für ein flüssiges Nähr-Medium besitzt, der Einlass mit einer Einheit zur Erzeugung eines Perfusionsdruck des Nähr-Medium verbindbar ist.
  • Dieses herzustellende Gewebe benötigt in Abhängigkeit des jeweiligen Einsatzes, insbesondere als Gewebeersatz eine individuelle Form, d. h. eine definierte räumliche Konfiguration. Dieser Gewebeersatz dient insbesondere zur klinisch-therapeutischen Anwendung.
  • Für die in vitro Herstellung von Geweben oder Gewebeäquivalenten wurden bis heute verschiedenste Typen von perfundierbaren Bioreaktoren entwickelt. Allerdings konzentrierte man sich bisher hauptsächlich auf die Herstellung von Bioreaktoren mit starren Wandungen, deren Form nicht an das zu züchtende Gewebe angepasst ist.
  • Für das Engineering von Weichgeweben, insbesondere Fettgewebe für die Oberflächenkonturierung oder zum Defektausgleich, aber auch für Knochen, der an konturwirksamen Lokalisationen verwendet wird, ist es wünschenswert, gezielt eine spezifische Form zu erzielen.
  • Die Präformierung und Festlegung der äußeren Form eines mittels Tissue Engineering hergestellten Gewebekonstrukts wird in bisherigen Ansätzen in der Regel über die Form eines Gerüsts („Scaffold”) angestrebt, auf dem die Zellen anwachsen und sich vermehren. Die äußere Form des Gerüsts bildet die Leitschiene bilden, in der sich das artifizielle Gewebe mit einer spezifischen Differenzierung ausbildet.
  • Es wäre aber ein idealer Ansatz, gerüstfrei oder mit rasch resorbierbaren Gerüstmaterialien arbeiten zu können. Gleichzeitig muss dann aber die äußere Form vorgegeben sein und Idealerweise den individuellen Defekt wiedergeben, in den das Konstrukt später passen soll.
  • Insbesondere gilt dies für Gewebekonstrukte, die z. B. Defekte im subkutanen Fettgewebe oberflächennah und hier insbesondere im Gesichtsbereich ausgleichen sollen. Hierbei ist es von besonderer Bedeutung, dass das Gewebekonstrukt nach Implantation den Defekt möglichst genau ausfüllt, um das gewünschte ästhetische Ergebnis zu erreichen.
  • Ein weiterer Punkt ist schließlich die Durchströmung (Perfusion) eines solchen Gewebes oder Gewebeäquivalents. Nachteil herkömmlicher Perfusionsmethoden ist, dass es sich meist nur um eine Umströmung des im Mediumstrom liegenden Gerüsts handelt und dass so die zentralen Bereiche des Gerüstes oder Gewebes nur schwer von der Mediumperfusion erreicht werden.
  • Schon bei geringen Gewebevolumina ist es zudem wichtig, ein Gefäßsystem oder ein entsprechendes Äquivalent zu implementieren, da für Distanzen von mehr als etwa 100–300 μm bis zur nächsten Blutkapillare die Diffusion zur Ernährung nicht mehr ausreicht. Ein solches Gewebe benötigt also auch eine eigene Blutgefäßversorgung, die natürlicherweise der Form des Implantats angepasst sein muss. Auch deshalb ist es wichtig, die Form schon bei der Herstellung des Gewebes zu berücksichtigen, damit die Blutgefäßversorgung gleich in der richtigen Dimensionierung angelegt wird und nicht später durch Formkorrekturen zerstört wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Biorektor bereit zu stellen, welcher die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
  • Erfindungswesentlich ist, dass die innere Kontur des Innenraums in zumindest mehr als 50% der Oberfläche der äußeren Kontur des herzustellenden menschlichen oder tierischen Gewebes oder Gewebeäquivalents entspricht.
  • Im Unterschied zu anderen Bioreaktoren füllt das Konstrukt (das Gewebe oder Gewebeäquivalent, Gerüst, Gerüst mit Zellen) den erfindungsgemäßen Bioreaktor völlig aus, die Versorgung erfolgt nicht primär durch Umspülung des Konstrukts mit dem Medium, sondern primär durch Perfusion eines Hohlfaser- oder Hohlleitungssystem, eines präformierten oder wachsenden, künstlichen Gefäßsystems, eines porösen Gerüsts oder einer Kombination aus mindestens zweier dieser Verfahren.
  • Diese Präformierung, d. h. definierte räumliche Konfiguration, des zu implantierenden Gewebes (Gewebeimplantats), welches die räumliche Konfiguration des mit dem erfindungsgemäßen Bioreaktor hergestellten Gewebes besitzt, hat den Vorteil, dass das hergestellte Gewebe exakt in den zu versorgenden Defekt passt, so dass ein optimales funktionelles und ästhetisches Ergebnis erreicht wird.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die formgenaue Umhüllung eine Perfusion des Gerüsts unterstüzt wird und eine einfache Umspülung mit Medium vermieden wird.
  • Die Herstellung dieser Bioreaktoren kann in bekannter Art und Weise über CAD/CAM Techniken aus dreidimensionalen Bilddatensätzen des zu versorgenden Defekts oder durch Abformung von individuellen, formgenauen Defektmodellen erfolgen, die mittels CAD/CAM Techniken hergestellt worden sind. Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet auch die individuelle, formgenaue Umhüllung (z. B. durch Beschichtung, Tiefziehung) eines Gerüsts (scaffolds, das ebenfalls z. B. über Bildgebung und CAD/CAM formgenau hergestellt worden ist) in individueller Form, so dass das Gerüst eng von der Hülle, d. h. der Kammerwandung, umgeben ist, und vom Perfusionsmedium durchströmt wird. Anschlüsse und Zuflüsse werden an diese Umhüllung eingearbeitet, Leitungssysteme können in diesem Falle in das Gerüst eingearbeitet sein.
  • Die Unteransprüche 2 bis 19 geben weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Anspruch 1 wieder, ohne diese zu begrenzen.
  • Die Versorgung des im Bioreaktor wachsenden Gewebes erfolgt über ein angeschlossenes seibstregulierendes, pulsatiles Perfusionssystem, mittels welchem ein angepasstes Nähr-Medium (”Perfusionsmedium”) transportiert wird.
  • Das Perfusionsmedium wird in das in der Kammer integrierte resorbierbare oder nicht resorbierbare Hohlleitungssysteme, mittels Tissue engineering hergestellter Blutgefäße oder Blutgefäßäquivalente oder poröses Gerüst gepumpt und so unter Berücksichtigung der Form des zu züchtenden Gewebekonstruktes verteilt. Nachdem das Perfusionsmedium das Gerüst bzw. Hohlleitungssystem durchströmt und das in der Kammer befindliche Gewebe damit mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt hat, fließt es durch den Ausfluss aus dem Inneren (Hohlraum) des Bioreaktors heraus.
  • Ein besonderer Vorteil dieser Vorgehensweise ist es, individuell auf die gewünschte Form des zu implantierenden Gewebes, d. h. des herzustellenden Gewebes, zugeschnittene Einmalbioreaktoren herstellen zu können.
  • Der erfindungsgemäße Bioreaktor kann elastische Wandungen bzw. Abschnitte haben, deren Elastizität insbesondere der mechanischen ”Compliance” des Zielgewebes entspricht.
  • Die zumindest teilweise elastische Hülle (Kammerwandung) garantiert die Ausübung physiologischer mechanischer Belastungen (Drücke und Kräfte), z. B. durch eine pulsatorische Perfusion von innen mit Drücken im physiologischen Bereich (Blutdruck). Eine solche elastische Kammerwandung eignet sich vor allem für die Herstellung von Weichgewebe, z. B. vaskularisierte Fettgewebstransplantate für die Weichgewebskonturierung. Genauso könnte damit ein vaskuläres Stroma hergestellt werden, also lediglich ein Blutgefäßnetz, dass dann die Basis für ein beliebiges, vaskualrisiertes Gewebe darstellt, ggf. auch ein kombiniertes Gewebe, dass unterschieldiche Gewebetypen umfasst, z. B. Knochen, Fettgewebe und Haut/Schleimhaut. Weiterhin können Vorrichtungen zum Monitoring in die elastische Wandung des Innenraums des Bioreaktors integriert werden. Hierzu zählen beispielsweise Sichtscheiben zum direkten optischen (z. B. durch Mikroskopie, Fluoreszenzmikroskopie, Laserscanning-Mikroskopie etc.) oder funktionellen Monitoring (z. B. durch ESR-Spektroskopie) oder Vorrichtungen, in welche hochelastische Membranen zur Regulierung der Resilienz eingespannt werden können.
  • Alternativ zu einem künstlich, also mit Gerüstmaterialien hergestellten Hohlleitungssystem oder einfach eines porösen, perfundierbaren Gerüstes kann auch ein gerüstfrei mittels Tissue Engineering hergestelltes Blutgefäßsystem und dessen sich entwickelnde Gefäßaussprossungen die Verteilung des Perfusionsmediums und somit die Versorgung des umliegendes Gewebes übernehmen, oder eine Kombination synthetischer resorbierbarer Gerüste und mittels Tissue Engineering hergestellter Gefäße.
  • Alle eben aufgeführten Vorteile der Erfindung tragen somit deutlich zur Verbesserung bisheriger Bioreaktorsysteme, der Wachstumsverhältnisse in Bioreaktoren und der Qualität gezüchteter Gewebekonstrukte bei und haben positive Auswirkungen auf das Tissue Engineering im Allgemeinen und Speziellen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne damit alle Einsatzmöglichkeiten der Erfindung abschließend dargestellt zu haben.
  • Beispiel 1 – Herstellung eines individuellen, elastischen präformierten Bioreaktors
  • Nach dreidimensionaler Darstellung eines menschlichen oder tierischen Gewebedefekts mittels bekannter Bildgebungsverfahren wird ein dreidimensionaler Datensatz errechnet, mit dem die Planung der Form des Bioreaktors erfolgt, um die Form des herzustellenden Gewebes erfindungsgemäß erreichen zu können. Diese dazu verwendeten Rohdaten können hierbei aus diversen, bekannten Bildgebungsmodalitäten stammen (CT, MRT, Ultraschall etc.) und werden mit geeigneten Bildverarbeitungsmethoden vorverarbeitet. Ausgehend von dreidimensionalen Patientendaten (CT, MRT, weitere Modalitäten) wird nach entsprechender Vorverarbeitung der Rohdaten mittels eines CAD/CAM-Systems ein dreidimensionales Drahtgittermodell mit entsprechender räumlicher Auflösung in der jeweiligen Form des benötigten Gewebes erzeugt. Die Geometriedaten des Drahtgittermodells werden danach in ein adäquates System zur dreidimensionalen Formgebung (3D-Drucker, CNC-Fräse etc.) geladen und der Bioreaktor wird auf diese Weise mit sehr hoher Präzision hergestellt.
  • Entweder wird der Bioreaktor direkt aus elastischere bio-kompatiblen Material (Elastomere, z. B. Silikone) hergestellt oder das 3D-Modell des Defekts dient als Form für den Abguss. Die Herstellung von sowohl eimnalig als auch mehrmals verwendbaren Bioreaktoren ist möglich. 1A bis C zeigen Varianten des Bioreaktors für die Herstellung von Geweben mit einer elastischen Hülle 1 in Defektform.
  • Eine weitere alternative Möglichkeit ist die formgenaue Umhüllung 1 von Gerüsten (scaffolds), z. B. durch Tiefziehung oder Beschichtung mit geeigneten Kunststoffen. Dabei wird die Form durch das scaffold 4 vorgegeben, d. h. dieses ist ggf. mittels CAD/CAM nach den Bilddaten des Defekts hergestellt worden. Anschlüsse 2 und Zuflüsse 3 werden an diese Umhüllung 1 eingearbeitet, Leitungssysteme können in diesem Falle in das Gerüst eingearbeitet sein. Nach dem Umhüllen und Anbringen der Anschlüsse ist der Bioreaktor einschließlich des umhüllten Gerüstes für den einmaligen Einsatz einsatzfähig. Die Pfeile in 1A bis C an der Einlassöffnung 2 und der Auslassöffnung 3 zeigen die Richtung der Mediumperfusion.
  • Auf entsprechende Anschlüsse für Monitoring- und Perfusionssysteme, sowie Kraftübertragungspunkte für mechanische Belastungen wird bereits in der Planungsphase des Bioreaktors Rücksicht genommen und diese werden im CAD/CAM-System in das dreidimensionale Drahtgittermodell eingearbeitet.
  • In derselben Form können Leitungssysteme, Hohlfasersysteme, oder Negativformen für Leitungssysteme, die nach Entfernung durchströmbare Kanäle hinterlassen, mit in den Hohlraum oder die Wandungen eingearbeitet werden.
  • Beispiel 2 – Implementierung von versorgenden Gefäßen (1A bis C)
  • Möglichkeiten, ein versorgendes Gefäß- oder Leitungssystems in das Gewebe einzubauen, bestehen durch den Einbau präformierter Hohlfaser- oder Leitungssysteme, durch das Tissue engineering von Gefäßen oder eine Kombination von beidem.
  • So wäre es beispielsweise möglich, ein Leitungssystem durch ein Abgussverfahren herzustellen. Drähte 6 aus einem geeigneten, glatten Material werden in dem Bioreaktor verlegt und verbinden die Einlassöffnung 2 mit der Auslassöffnung 3. Die Befüllung des Bioreaktors erfolgt mit Partikeln 7 eines Trägermaterials, das mit den Zellen des Zielgewebes besiedelt wurde (bewachsene Mikroträger). Diese sind zunächst separat kultiviert worden, bis die Zellen (Stammzellen, vordifferenzierte oder differenzierte Zellen) eine gewisse Dichte erreicht haben. Sie werden dann zusammen mit Fibrin in den Bioreaktor gegeben, das durch Zugabe von Thrombin polymerisiert.
  • Ggf. können auch Endothelzellen zugegeben werden, so dass sich ein kapillarartiges System ausbilden kann.
  • Die Drähte 6 werden entfernt und es verbleiben Leitungen, Röhren oder Kanäle vom Einlass 2 bis zum Auslass 3, über die die Perfusion mit Medium erfolgen kann (1A zeigt einen Bioreaktor für die Herstellung von Gewebe mit herausnehmbaren Drähten als Platzhalter für Leitungen).
  • Ggf. ist eine zusätzliche Besiedlung der Kanäle mit Gefäßwandzellen (glatte Muskelzellen, Endothelzellen) sequentiell möglich. Das Wachstum eines Gefäßsystems wird ggf. durch die hydrodynamische Belastung, welche aufgrund der pulsatilen Perfusion auf die nahe Umgebung die artifiziellen Gefäßwände einwirkt, gefördert. Dieses mittels Tissue Engineering hergestellte, artifizielle, Blutgefäßsystem und dessen sich während der Kultivierungsperiode entwickelnde Gefäßaussprossungen übernehmen die Verteilung des Perfusionsmediums und somit die Versorgung des umliegendes Gewebes.
  • Alternativ ist es auch möglich, ein resorbierbares Hohlfasersystem 5 zu verlegen, dass dann als Rohrsystem für die Versorgung dient (1B). Das in den Bioreaktor integrierte resorbierbare oder permanente Hohlleitungssystem 5 bzw. die Verteilung über das poröse Gerüst übernimmt zunächst die Versorgung des Gewebes, ggf. bis sich dieses aufgrund der Herausbildung eines eigenen Gefäßsystems versorgen kann oder bis es implantiert wird. Es wird später resorbiert und durch Gefäße ersetzt oder funktionslos resorbiert, wenn die Durchblutung über kollaterale Blutversorgung nach Transplantation ausreicht (1B).
  • Es ist des weiteren möglich, lediglich ein poröses Gerüst (scaffold) 4 in Defektform zu verwenden, dessen Poren durch das Nähr-Medium durchströmt werden. 1C zeigt einen Bioreaktor zur Herstellung von Gewebe unter Verwendung eines porösen Gerüsts zur Mediumverteilung, mit einer elastischen Hülle 1 in Defektform. Ggf. können Kanäle und Leitungen 7 (mit größerem Poren- bzw. Kanaldurchmesser eingearbeitet werden, so dass auch bei Proliferation der Zellen eine Durchströmung erhalten bleibt. Die in 1C im Innern ersichtlichen Pfeile zeigen die Fließrichtung des Mediums in dem porösen Gerüst an.
  • Beispiel 3 – Herstellung von Blutgefäßen oder Blutgefäßnetzen, anderen Geweben (2a und b sowie 3a und b)
  • Die einfachste Geometrie liegt bei der Herstellung eines einzelnen Blutgefäßes vor. Hierbei besteht der Bioreaktor für die Herstellung eines Blutgefässes nach 2a und b lediglich aus einem zylinderförmigen elastischen Körper 8, der dem Außendurchmesser des Blutgefässes entspricht. An den Enden befinden sich jeweils Kupplungen/Anschlüsse 9, an denen das Gefäß/Gefäßäquivalent 10 (z. B. ein elastisches, resorbierbares Gerüstmaterial mit rohrförmiger Gestalt) eingespannt werden kam (2a). Es wird dabei auf Schlaucholiven 11 aufgeschoben und diese wiederum in einer Luer-Lock-Halterung auf den Anschluss 9 des Bioreaktors aufgesetzt, womit die Abdichtung erzielt wird (auf beiden Seiten).
  • Dann kann das Konstrukt mit Medium perfundiert und mit Zellen besiedelt werden, wenn dies nicht bereits vor dem Einspannen geschehen ist (glatte Muskelzellen und/oder Vorläuferzellen und/oder Endothelzellen, ggf. sequentiell). Die Pfeile in 2a und 3a entsprechen der Richtung des Mediumflusses.
  • Perfundiert wird nach Möglichkeit mit einem pulsatorischen Perfusionsmodus, der die Blutdruckverhältnisse in natürlichen Gefäßen simuliert, bzw. langsam ansteigend bis von geringen Drücken bis zu physiologischen Drücken gesteigert. Dadurch bildet sich langsam eine natürliche, widerstandsfähige (gegen Druck) Gefäßwand aus, mit physiologischer Compiance etc. (In 2a sind zwei Punktlinien eingezeichnet, welche die elastische Hülle 1 bei Auslenkung durch Perfusionsdruck (überzeichnet) darstellen.)
  • In gleicher Art wird ein Blutgefäßnetz hergestellt, nur dass statt dem röhrenförmigen Konstrukt und Bioreaktor eine kompliziertere Geometrie eines verzweigten Netzwerks 12 entsprechend 3 verwendet wird. (3a zeigt in Aufsicht und 3b im Querschnitt den Bioreaktor für die Herstellung eines Blutgefäßnetzes oder eines Blutgefäßnetzäquivalents) Das grundsätzliche Vorgehen ist identisch.
  • Beispiel 4 – Herstellung eines vaskularisierten Gewebes mit kompartimentiertem Bioreaktor
  • Für manche Anwendungen ist es sinnvoll, nicht in einem Schritt das ganze Konstrukt herzustellen. Dies ist mit der kompartimentierten Version des Bioraktors möglich. Zur Herstellung eines vaskularisierten Weichgewebes wird beispielsweise zunächt in einem Kompartiment das Blutgefäßnetz hergestellt und dann eine Trennwand zum zweiten sterilen Kompartiment eröffent. Dort wird dann das eigentlich Transplantatgewebe bzw. -äquivalent deponiert (als Gerüst mit Zellen, besiedelbares Gerüst oder Partikel, oder gerüstfrei mit Zellen), so dass es über das bereits vorhandene Gefäßnetz ernährt wird.
  • Beispiel 5 – Zusätzliche Integration von Monitoring-Vorrichtungen
  • Je nachdem welches Material bei der Herstellung des Bioreaktors Verwendung findet, wirkt sich dies auf die Transparenz der Kammerwandung aus. Deshalb kann es, insbesondere bei nicht oder nicht ausreichend transparenten Materialen, notwendig sein, Sichtscheiben für das optische Monitoring in die Wandung zu integrieren.
  • Weiterhin können zusätzliche Vorrichtung zur Regulierung der lokalen oder gesamten Resilienz des Bioreaktorsystems auf Basis von z. B. hochelastischen, biokompatiblen Membranen in die Wandung integriert werden.
  • Das Monitoring der Wachstumsparameter im Inneren des Bioreaktors kann über ein einsprechendes Sondensystem erfolgen, welches über vordefinierte Anschlüsse in der Kammer installiert wird. Hierbei werden Stoffkonzentrationen und physikalische bzw. chemische Kenngrößen, wie z. B. O2- und CO2-Konzentration, Druck, Sauerstoffpartialdruck, pH-Wert, Viskosität, Fließgeschwindigkeiten und Temperatur, gemessen. Das Monitoring trägt außerdem aktiv zur Regulierung der Wachstumsbedingungen im Bioreaktorsystem bei, da es als Sensorik in den Regelkreis eingebunden ist.
  • Beispiel 6 – Anschluss und Betrieb des selbstregulierenden pulsatorischen Perfusionssystems
  • Ein selbstregulierendes pulsatorisch arbeitendes Perfusionssystem wird mit dem Bioreaktor bzw. mit dem in ihm etablierten Hohlleitungssystem verbunden und dient zur Simulation physiologischer oder experimenteller Druckverhältnisse.
  • Beispiel 7 – Anwendungen
  • Anwendungsmöglichkeiten für den erfindungsgemäßen Bioreaktor ergeben sich überall dort, wo die Interaktionen zwischen Gefäß und Stroma bzw. mesenchymalen oder anderen Gewebe eine Rolle spielen. Dies sind viele Bereiche neben den bereits skizzierten Anwendungen in der regenerativen Medizin und beim Tissue engineering. Das System kann wie in den Vorbeispielen skizziert, analog zu den Gewebeäquivalenten bzw. artifiziellen Geweben genauso mit natürlichen, explantierten Geweben und Gefäßen betrieben werden. Damit ergibt sich ein breiter Anwendungsbereich. Dies können besipielsweise grundlagenorientierte Untersuchungen insbesondere in der Erforschung von Kreislauferkrankungen sein, aber auch vieler Stoffwechselsstörungen, wie z. B. Adipositas, bei der das Wechselspiel von Gefäßen und Fettzellen eine wesentliche Rolle spielt. Weiterhin kann es als Metastasenmodell in der onkologischen Forschung nützlich sein.
  • Fragen zur Wundheilung können damit beantwortet werden, und es kann auch als Angiogenesemodell in der Grundlagenforschung verwendet werden. Eine wesentlicher Zweig ist auch die Anwendung in der Testung von Pharmaka, z. B. die Testung des Übertritts von Pharmaka in das Interstitium oder andere Fragestellungen. Hier kann und bei anderen Anwendungen kann es auch als Ersatz für Tierversuche angewendet werden.
  • Beispiel 8 – Bioreaktor für Weichgewebeersatz
  • Von dem zu versorgenden Weichgewebedefekt wird ein virtuelles 3D-Modell erzeugt, auf dessen Grundlage eine formgenaues Gerüst (weichbleibend) mittels CAD/CAM Techniken hergestellt wird. Das Gerüst ist porös und enthält Kanäle für die Perfusion, die an den vorberechneten Stellen für Ein- und Auslass münden. Durch die Porosität des Gerüsts ist gewährleistet, dass sich von den Leitungen aus das Medium ausreichend im gesamten Gerüst verteilen kann. Das Gerüst wird dann mit einem elastischen Kunststoff folienartig überzogen, z. B. durch Tiefziehen oder durch Beschichten (vorzugsweise Silikone). An den vorbestimmten Zuflüssen und Eintritten von Sonden werden vorgefertigte Anschlussstücke einpolymerisiert. Somit entsteht ein individueller Reaktor für einen individuellen Defekt. Die Besiedlung kann dann durch Beimpfung mit suspendierten Zellen (ggf. mehrfach) erfolgen, ggf. sequentiell (zuerst mesenchymale Zellen des Mesenchyms, dann Gefäßwand- und Endothelzellen für die Gefäße). Das Verfahren kann im Prinzip auf beliebige vaskularisierte Gewebe angewendet werden.

Claims (41)

  1. Perfundierbarer Bioreaktor zur Herstellung von menschlichen oder tierischen Geweben, wobei deren Herstellung auf einem im Innenraum kultivierten Konstrukt basiert, der Innenraum von einer Hülle (1) umschlossen ist und zumindest einen Einlass (2) und einen Auslass (3) für ein flüssiges Nähr-Medium besitzt, der Einlass (2) mit einer Einheit zur Erzeugung eines Perfusionsdruck des Nähr-Medium verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Kontur des Innenraums in zumindest mehr als 50% der Oberfläche der äußeren Kontur des herzustellenden menschlichen oder tierischen Gewebes oder Gewebeäquivalents entspricht.
  2. Bioreaktor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die innere Kontur des Innenraums in zumindest 70%, besonders bevorzugt 100% der äußeren Kontur des herzustellenden menschlichen oder Gewebes oder Gewebeäquivalents entspricht.
  3. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in ihn ein Gerüst (scaffold) (4) einbringbar ist, welches kongruent geformt den Innenraum ausfüllt.
  4. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Kontur des Biorektors durch Umhüllen eines Gerüstes (4) erzeugbar ist, wobei das Gerüst (4) nach denn zu versorgendem Defekt geformt ist.
  5. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Innenraum eingebrachte Konstrukt durch das Nähr-Medium durchströmbar ist.
  6. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum in verschiedene, mindestens zwei, Kompartimente aufgeteilt ist, die über eigene Durchströmungskreisläufe verfügen können und durch herausnehmbare oder nicht herausnehmbare Trennwände unterteilt sind.
  7. Bioreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass er im Innenraum resorbierbare oder nicht resorbierbare Hohlfasersysteme, Leitungssysteme oder Gerüststrukturen enthält.
  8. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung des Kulturmediums für das herzustellende Gewebe oder Gewebeäquivalent über Gerüste, Leitungssysteme, Hohlfasersysteme oder mittels Tissue engineering hergestellter Blutgefäßstrukturen, oder einer Kombination mindestens zweier dieser Verfahren aus dem Inneren des Gewebes bzw. Gewebeäaquivalents her im Sinne einer Durchströmung primär erfolgt und sekundär durch Umspülung von außen.
  9. Bioreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass dieser als Einheit in Verbindung mit einem selbstregulierenden pulsatorischen Perfusionssystem betrieben wird.
  10. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilsegment dieser Hülle (1) aus elastischen Material besteht (mindestens 30%, bevorzugt über 50%)
  11. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Druck-(Belastungs)regime, welches im Innenraum erzeugbar ist, dem physikalischen Druck-(Belastungs)regime entspricht, welches unter normalen Lebensbedingungen im lebenden menschlichen oder tierischen Organismus auf das Geweben oder Blutgefäße einwirkt.
  12. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Elastizität dieses Materials des Teilsegmentes einstellbar ist, so dass die Dehnbarkeit von Gewebe bzw. Gewebeäquivalent zusammen mit der Hülle (1) auf den Perfusionsdruck den physiologischen Werten der Gewebecompliance des herzustellenden Gewebes entspricht.
  13. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Biorektor herzustellende Gewebe ein Blutgefäß oder ein Blutgefäßnetzwerk oder ein entsprechendes Äquivalent ist.
  14. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Biorektor herzustellende Gewebe ein Weichgewebe oder Weichgewebeäquivalent ist.
  15. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Gewebeäquivalentes durch Füllung des Hohlraums zumindest teilweise mit einem partikulären, vorzugsweise resorbierbaren Trägermaterial (7) erfolgt, das mit humanen oder tierischen Zellen vorbesiedelt ist.
  16. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen menschliche oder tierische mesenchymale Vorläuferzellen und/oder Endothelzellen sind.
  17. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel bzw. in einer Fibrinmatrix zugegeben werden.
  18. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sichtscheibe zum optischen oder funktionellen Monitoring in die Hülle (Kammerwand) eingebracht wurde.
  19. Bioreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Bioreaktor für den einmaligen Gebrauch konzipiert ist.
  20. Verfahren zur Herstellung eines Bioreaktors gemäß zumindest eines der Ansprüche 1 bis 19.
  21. Verfahren zur Herstellung eines Bioreaktors nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass er nach Bildgebungsdaten eines gegebenen zu versorgenden Defekts mittels CAD/CAM Technologien hergestellt wird.
  22. Verfahren zur Herstellung eines Bioreaktors nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass bereits zu Beginn des Fertigungsprozesses (bei Erstellung der Vorlage mit einem CAD/CAM-System) Anschlüsse, Kupplungen und Schnittstellen für Mediumführung und ggf. Monitoring berücksichtigt und eingearbeitet werden.
  23. Verfahren zur Herstellung eines Bioreaktors nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung zumindest teilweise durch Überzug, z. B. Tiefziehen oder Beschichtung eines individuellen Gerüstes (Scaffold) erfolgt.
  24. Verfahren zur Herstellung eines Bioreaktors nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es den Einbau resorbierbare oder nicht resorbierbare Hohlfasersysteme, Leitungssysteme oder Gerüststrukturen im Bioreaktorinnenraum beinhaltet.
  25. Verfahren zur Herstellung eines resorbierbaren, temporären Hohlfasersystems aus einem Gemisch verschiedener resorbierbarer, biokompatibler Materialien für die Versorgung des kultivierten Gewebes mit Sauerstoff und Nährstoffen in einem Biorektor gemäß zumindest eines der Ansprüchen 1 bis 19.
  26. Hohlfasersystems hergestellt gemäß dem Verfahren gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das resorbierbare, temporäre Hohlfasersystem an die Form des Bioreaktors, und damit an das herzustellende Gewebe, räumlich angepasst ist und über Anschlüsse an ein Perfusionssystem verfügt.
  27. Verfahren zur Herstellung von menschlichen oder tierischen Geweben unter Verwendung eines Bioreaktors gemäß zumindest eines der Ansprüche 1 bis 19.
  28. Verfahren gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst: das Konstrukt wird in den Innenraum des Biorektors eingebracht und der verbliebene Hohlraum des Innenraumes wird mit flüssigem Nähr-Medium gefüllt und über Zufluss und Abfluss mit einem Nähr-Medium perfundiert.
  29. Verfahren gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Konstrukt mit einem physikalischen Druck-(Belastungs)regime beaufschlagt, welches einem physikalischen Druck-(Belastungs)regime entspricht, das unter normalen Lebensbedingungen im lebenden menschlichen oder tierischen Organismus auf das hergestellte Gewebe einwirkt, wobei das flüssige Nähr-Medium über einen Einlass in den Innenraum mit Überdruck und pulsierend eingebracht wird und zumindest über einen Auslass den Innenraum verlässt.
  30. Verfahren zur Herstellung eines artifiziellen, versorgenden, mittels Tissue Engineering hergestellten Blutgefäßsystems, welches während der Kultivierungsperiode Gefäßaussprossungen entwickelt und dadurch die Verteilung des Perfusionsmediums bzw. die Versorgung des umliegendes Gewebes übernimmt, wobei zur Herstellung ein Biorektor gemäß zumindest einen der Ansprüche 1 bis 19 verwendet wird.
  31. Verwendung von einem Bioreaktor gemäß zumindest einen der Ansprüche 1 bis 19 für die Herstellung menschlicher oder tierischer Gewebe oder Gewebeäquivalenten (Gerüst-Zell-Kombinationen) für therapeutische Zwecke.
  32. Verwendung von einem Bioreaktor gemäß zumindest einen der Ansprüche 1 bis 19 für die experimentelle Herstellung menschlicher oder tierischer Gewebe oder Gewebeäquivalenten (Gerüst-Zell-Kombinationen).
  33. Verwendung von einem Bioreaktor gemäß mindestens eines der Ansprüche 1 bis 19 für die Herstellung jeglicher vaskularisierter Gewebes.
  34. Verwendung von einem Bioreaktor gemäß mindestens eines der Ansprüche 1 bis 19 für die Herstellung von Weichgewebe oder Weichgewebsäquivalenten.
  35. Verwendung von einem Bioreaktor gemäß mindestens eines der Ansprüche 1 bis 19 für die Herstellung von Blutgefäß- oder Blutgefäßäquivalenten.
  36. Verwendung von einem Bioreaktor gemäß mindestens eines der Ansprüche 1 bis 19 für die Herstellung von Blutgefäßnetzen oder Blutgefäßnetzäquivalenten.
  37. Verwendung von einem Bioreaktor gemäß mindestens eines der Ansprüche 1 bis 19 für die Herstellung von Hartgewebe oder Hartgewebsäquivalenten.
  38. Verwendung von einem Bioreaktor gemäß mindestens eines der Ansprüche 1 bis 19 für die Herstellung von kombinierten Geweben (Weichgewebe, Hartgewebe, Blutgefäße).
  39. Verwendung eines Bioreaktors gemäß zumindest einen der Ansprüche 1 bis 19 für die Testung pharmakologischer Substanzen.
  40. Verwendung eines Bioreaktors gemäß zumindest einen der Ansprüche 1 bis 19 für die Testung pharmakologischer Substanzen auf dem Gebiet der Kreislauf- und Adipositasforschung.
  41. Verwendung eines Bioreaktors gemäß zumindest einen der Ansprüche 1 bis 19 für die Anwendung in Experimenten, die bislang nur über Tierversuche durchgeführt werden konnten, also für den Ersatz von Tierversuchen.
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