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Chip-based Three-dimensional Cell Culture in Perfused Micro-bioreactors

We have developed a chip-based cell culture system for the three-dimensional cultivation of cells. The chip is typically manufactured from ...

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Microfabrication of Chip-sized Scaffolds for Three-dimensional Cell cultivation

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell ...

Very high cell densities and optimal vascularization characterize among others organs and tissues in vivo. In order to study organ-specific functions in vitro or to make use of them in medical devices/treatments in the future, this natural architecture should be rebuilt. An important aspect in this context is the appropriate ratio of medium to cell volume being so far not optimally reestablished in most of the currently available in vitro systems. To improve such culture conditions, we constructed a microstructure to culture hepatocytes and (without any addition of extracellular matrix material) characterized liver tissue in the form of evenly sized aggregates. The liver-specific differentiation status of such aggregates was monitored by their ability to perform CYP450 dependent xenobiotic metabolism along with the measurement of albumin secretion. Freshly isolated adult rat hepatocytes show an initial loss of total CYP450 content and of associated activities (mixed function oxidases). However, in the aggregate system, this level did not decrease further but remained stable or even increased throughout the culture period of 10-13 days. The CYP450 dependent metabolism of the hepatocytes is able to respond to classic inducing agents. The described culture efficiently supports liver-specific functions of adult rat hepatocytes and seems to be suited not only for use in an extracorporeal liver device but also for the formation of evenly sized small aggregates to be of use in transplantation of differentiated liver tissue. Moreover, after design variations, the microstructure can be applied for functional analysis of metabolically active hepatocytes as well as for toxicological and pharmacological validation.

Microstructured scaffolds for liver tissue cultures of high cell density: morphological and biochemical characterization of tissue aggregates.

Mikrostrukturierte Ger&#xFC;ste f&#xFC;r Lebergewebe Kulturen hoher Zelldichte: morphologische und biochemische Charakterisierung von Gewebe-Aggregate.

Intracellular levels of the heat stress protein Hsp70 are elevated following exposure to elevated temperature. The cochaperone HspBP1 is an intracellular protein that is known to bind to and regulate Hsp70 activity. The purpose of this study was to determine if HspBP1 levels changed when Hsp70 levels were altered. Heat stress resulted in an increase in Hsp70 levels but no change in HspBP1 levels. Treatment of cells with the apoptosis inducing drug camptothecin lowered Hsp70 levels but again had no effect on HspBP1 levels. Cells treated with camptothecin plus heat stress did not exhibit an increase in Hsp70 levels. Over-expression in cells stably transfected with HspBP1 cDNA resulted in a 290% increase in HspBP1 levels without a similar change in Hsp70 levels. These results demonstrate that Hsp70 and HspBP1 are not coordinately regulated but provide evidence that an increase in the ratio of HspBP1 to Hsp70 correlates with apoptosis, in a similar way to reducing the amount of Hsp70.

Expression of the cochaperone HspBP1 is not coordinately regulated with Hsp70 expression.

Intrazellul&auml;re Ebenen von der Hitze-Stress-Protein Hsp70 sind nach Exposition gegen&uuml;ber hohen Temperaturen erh&ouml;ht. Die Cochaperone HspBP1 ist eine intrazellul&auml;re Protein, das bekannt ist, zu binden und Hsp70-Aktivit&auml;t zu regulieren. Der Zweck dieser Studie war festzustellen, wenn HspBP1 Ebenen ge&auml;ndert beim Hsp70 Ebenen ver&auml;ndert wurden. Hitzebelastung f&uuml;hrte zu eine Zunahme der Hsp70 Ebenen aber keine &Auml;nderung in HspBP1 Ebenen. Behandlung der Zellen mit der Apoptose fehlertr&auml;chtige Droge Camptothecin Hsp70 Niveau gesenkt, aber wieder hatte keine Auswirkung auf HspBP1 Ebenen. Zellen mit Camptothecin plus Hitzebelastung keine Zunahme der Hsp70 Ebenen aufweisen. &Uuml;berexpression in Zellen, die mit HspBP1 cDNA stabil transfected ergab 290 % Anstieg HspBP1 ohne eine solche Ver&auml;nderung Hsp70 Ebenen. Diese Ergebnisse zeigen, dass Hsp70 und HspBP1 nicht coordinately geregelt sind aber nachweisen, die eine Zunahme des Verh&auml;ltnisses der HspBP1 zum Hsp70 korreliert mit Apoptosis, in &auml;hnlicher Weise zur Verringerung des Hsp70.

Ausdruck der Cochaperone HspBP1 ist nicht mit Hsp70 Ausdruck coordinately geregelt.

It has been reported that magnetic fields with flux densities ranging from microT to mT are able to induce heat shock factor, HSP72 mRNA or heat shock proteins in various cells. In this study we investigated changes in the HSP72 mRNA transcription level in three cell lines (HL-60, H9c2, and Girardi heart cells) and in the intracellular HSP72 protein content in two cell lines (HL-60 and Girardi heart cells) after treatment schemes using electromagnetic fields with a flux density of 2 microT to 4 mT, a frequency of 50 Hz and exposure times from 15 to 30 min. None of the treatments or modalities showed any significant effect on the HSP72 protein level, although HSP72 mRNA could be induced, at least to some extent, with one of the parameter combinations in all cell lines tested. Obviously, HSP72 mRNA transcription and translation are not necessarily coupled in certain cells. This leads to the conclusion that electromagnetic field effects on HSP72 mRNA levels are not indicative for downstream effects unless increased mRNA levels can be correlated with increased HSP72 protein levels as well.

Expression of HSP72 after ELF-EMF exposure in three cell lines.

Es wurde berichtet, dass Magnetfelder mit Flux dichten von MicroT bis hin zu mT Hitzeschock induzieren k&ouml;nnen Faktor, HSP72-mRNA oder Hitze-Schock-Proteine in verschiedenen Zellen. In dieser Studie untersuchten wir Ver&auml;nderungen des HSP72 mRNA Transkription in drei Zelllinien (HL-60, H9c2 und Girardi Herzzellen) und die intrazellul&auml;re HSP72 Protein-Inhalt in beiden Zelllinien (HL-60 und Girardi Herzzellen) nach Behandlung-Systeme verwenden elektromagnetische Felder mit einer Flux density von 2 MicroT bis 4 Meter, eine Frequenz von 50 Hz und Belichtungszeiten von 15 bis 30 min. Keine der Behandlungen oder Modalit&auml;ten zeigten keine wesentlichen Auswirkungen auf der Ebene der HSP72 Protein, obwohl HSP72 mRNA konnte, zumindest teilweise induziert werden, getestet mit einem des Parameters Kombinationen in allen Zelllinien. Nat&uuml;rlich sind HSP72 mRNA-Transkription und &Uuml;bersetzung m&ouml;glicherweise nicht in bestimmten Zellen unbedingt gekoppelt. Dies f&uuml;hrt zu dem Schluss, dass elektromagnetische Feld Auswirkungen auf HSP72 mRNA-Stufen nicht indikativ f&uuml;r nachgelagerte Effekte sind, sofern nicht mit erh&ouml;hten HSP72 Protein-Ebene sowie erh&ouml;hte mRNA-Konzentration korreliert werden k&ouml;nnen.

Ausdruck von HSP72 nach ELF-EMF-Exposition in drei Zelllinien.

We describe a multi-purpose platform for the three-dimensional cultivation of tissues. The device is composed of polymer chips featuring a microstructured area of 1-2 cm(2). The chip is constructed either as a grid of micro-containers measuring 120-300 x 300 x 300 microm (h x l x w), or as an array of round recesses (300 microm diameter, 300 microm deep). The micro-containers may be separately equipped with addressable 3D-micro-electrodes, which allow for electrical stimulation of excitable cells and on-site measurements of electrochemically accessible parameters. The system is applicable for the cultivation of high cell densities of up to 8 x 10(6) cells and, because of the rectangular grid layout, allows the automated microscopical analysis of cultivated cells. More than 1000 micro-containers enable the parallel analysis of different parameters under superfusion/perfusion conditions. Using different polymer chips in combination with various types of bioreactors we demonstrated the principal suitability of the chip-based bioreactor for tissue culture applications. Primary and established cell lines have been successfully cultivated and analysed for functional properties. When cells were cultured in non-perfused chips, over time a considerable degree of apoptosis could be observed indicating the need for an active perfusion. The system presented here has also been applied for the differentiation analysis of pluripotent embryonic stem cells and may be suitable for the analysis of the stem cell niche.

A chip-based platform for the in vitro generation of tissues in three-dimensional organization.

Wir beschreiben eine Mehrzweck-Plattform f&uuml;r den dreidimensionalen Anbau von Geweben. Das Ger&auml;t besteht aus Polymer-Chips mit eine mikrostrukturierte Gegend von 1-2 cm(2). Der Chip wird erstellt, entweder als ein Raster von Mikro-Beh&auml;lter 120-300 X 300 X 300 Microm Messen (h x l x b), oder als Array von Runde Aussparungen (300 Microm Durchmesser, Tiefe 300 Microm). Mikro-Beh&auml;lter k&ouml;nnen separat mit adressierbaren 3D-Mikro-Elektroden, die elektrische Stimulation von excitable Zellen und vor-Ort-Messung elektrochemisch zug&auml;ngliche Parameter erm&ouml;glichen, ausger&uuml;stet sein. Das System gilt f&uuml;r den Anbau von hohen Zelldichten von bis zu 8 X 10 6 Zellen und aufgrund des rechteckigen Raster-Layouts, erm&ouml;glicht die automatisierte mikroskopische Analyse der kultivierten Zellen. Mehr als 1000 Mikro-Beh&auml;lter erm&ouml;glichen die parallele Analyse verschiedener Parameter unter Superfusion/Perfusion Bedingungen. Mit verschiedenen Polymer-Chips in Kombination mit verschiedenen Arten von Bioreaktoren zeigten wir die wichtigste Eignung der Chip-basierten Bioreaktor f&uuml;r Gewebekultur-Anwendungen. Prim&auml;r- und etablierte Zelllinien wurden erfolgreich kultiviert und funktionellen Eigenschaften untersucht. Wenn Zellen in nicht-perfused Chips kultiviert wurden, konnte im Laufe der Zeit ein betr&auml;chtliches Ma&szlig; an Apoptose beobachtet werden, die Notwendigkeit einer aktiven Perfusion angibt. Das hier vorgestellte System ist auch f&uuml;r die Analyse der Differenzierung von pluripotenten embryonalen Stammzellen angewendet wurde und geeignet f&uuml;r die Analyse der Stammzelle Nische.

Eine Chip-basierte Plattform zur in-vitro-Erzeugung von Geweben in dreidimensionalen Organisation.

Gel-like carrier materials were introduced into cell therapy of cartilage lesions to improve chondrocyte retention and distribution in the defect. Mesenchymal stem cells (MSC) are now discussed as an alternative cell source for repair. We here asked whether distinct gel-like carriers can support chondrogenesis of MSC in vitro and lead to stable cartilage-like transplants in vivo. Chondrogenesis of MSC embedded in collagen type I gel, fibrin glue, Matrigel and PuraMatrix peptide hydrogel was assessed and gene expression analysis, proteoglycan content, and collagen synthesis were quantified. Differentiated constructs were transplanted subcutaneously into SCID mice. All carriers supported chondrogenesis in vitro, but displayed material-dependent differences on COL2A1 gene expression, total collagen synthesis and proteoglycan deposition. The undesired calcification and microossicle formation in ectopic transplants in vivo was consistently suppressed by Matrigel. In sum, gel-like biomaterials were suitable carriers for MSC and promoted chondrogenesis. Suppression of calcification by particular gel-like materials makes their use even more attractive for MSC-based tissue engineering approaches in cartilage repair.

Chondrogenesis of mesenchymal stem cells in gel-like biomaterials in vitro and in vivo.

Gel-artigen Tr&auml;germaterialien wurden Zelltherapie Knorpel L&auml;sionen zur Verbesserung der Chondrozyten Aufbewahrung und Verteilung in den Defekt eingef&uuml;hrt. Mesenchymaler Stammzellen (MSC) werden jetzt als alternative Zelle Quelle f&uuml;r Reparatur besprochen. Wir hier gefragt, ob verschiedene Gel-&auml;hnlichen Tr&auml;gern Chondrogenesis des MSC in-vitro unterst&uuml;tzt- und f&uuml;hren zu einer stabilen Knorpel-wie Transplantationen in-vivo. Chondrogenesis des MSC in Kollagen Typ, den ich Duschgel, Fibrin Kleber eingebettet, Matrigel und PuraMatrix Peptid-Hydrogel wurde ermittelt und Genexpressionsanalyse, Proteoglycan Inhalt und Kollagen-Synthese quantifiziert wurden. Differenzierte Konstrukte wurden subkutan in SCID M&auml;use transplantiert. Alle Luftfahrtunternehmen, die unterst&uuml;tzt Chondrogenesis in Vitro, aber angezeigten materialabh&auml;ngigen Unterschiede auf COL2A1 Genexpression, insgesamt Kollagen-Synthese und Proteoglycan-Ablagerung. Die unerw&uuml;nschte Verkalkung und Microossicle Bildung in in-vivo ektopische Transplantationen wurde konsequent durch Matrigel unterdr&uuml;ckt. Zusammenfassend l&auml;sst sich sagen Gel-artigen Biomaterialien wurden geeignete Tr&auml;ger f&uuml;r MSC und Chondrogenesis gef&ouml;rdert. Unterdr&uuml;ckung der Verkalkung durch besondere Gel-&auml;hnlichen Materialien wird ihre Verwendung noch attraktiver f&uuml;r MSC-basierte Tissue-engineering Ans&auml;tze im Knorpel reparieren.

Chondrogenesis mesenchymaler Stammzellen in Gel-artigen Biomaterialien in vitro und in vivo.

While conventional rotation culture-based retinal spheroids are most useful to study basic processes of retinogenesis and tissue regeneration, they are less appropriate for an easy and inexpensive mass production of histotypic 3-dimensional tissue spheroids, which will be of utmost importance for future bioengineering, e.g. for replacement of animal experimentation. Here we compared conventionally reaggregated spheroids derived from dissociated retinal cells from neonatal gerbils (Meriones unguiculatus) with spheroids cultured on a novel microscaffold cell chip (called cf-chip) in a motion-free bioreactor. Reaggregation and developmental processes leading to tissue formation, e.g. proliferation, apoptosis and differentiation were observed during the first 10 days in vitro (div). Remarkably, in each cf-chip micro-chamber, only one spheroid developed. In both culture systems, sphere sizes and proliferation rates were almost identical. However, apoptosis was only comparably high up to 5 div, but then became negligible in the cf-chip, while it up-rose again in the conventional culture. In both systems, immunohistochemical characterisation revealed the presence of MÃ¼ller glia cells, of ganglion, amacrine, bipolar and horizontal cells at a highly comparable arrangement. In both systems, photoreceptors were detected only in spheroids from P3 retinae. Benefits of the chip-based 3D cell culture were a reliable sphere production at enhanced viability, the feasibility of single sphere observation during cultivation time, a high reproducibility and easy control of culture conditions. Further development of this approach should allow high-throughput systems not only for retinal but also other types of histotypic spheroids, to become suitable for environmental monitoring and biomedical diagnostics.

Tissue reconstruction in 3D-spheroids from rodent retina in a motion-free, bioreactor-based microstructure.

W&auml;hrend herk&ouml;mmliche Drehung kulturbasierte retinale Sph&auml;roide n&uuml;tzlichsten grundlegenden Prozesse des Retinogenese und Geweberegeneration zu studieren sind, sind sie weniger geeignet f&uuml;r eine einfache und kosteng&uuml;nstige Massenproduktion von Histotypic 3-dimensionale Gewebe Sph&auml;roide, die f&uuml;r k&uuml;nftige Biotechnik, z.B. f&uuml;r Ersatz von Tierversuchen von gr&ouml;&szlig;ter Bedeutung sein wird. Hier verglichen wir konventionell Kriegsverbrechertribunals Sph&auml;roide von getrennten retinalen Zellen von Neugeborenen Rennm&auml;use (Meriones Unguiculatus) abgeleitet, mit Sph&auml;roide kultiviert auf eine neuartige Microscaffold-Zelle-Chip (Cf-Chip genannt) in einem Bewegungs-frei-Bioreaktor. Reaggregation und Entwicklungsprozesse zu Bildung, z.B. Proliferation, Apoptose und Differenzierung wurden w&auml;hrend der ersten 10 Tage in-vitro (Div) beobachtet. Bemerkenswert ist, in jeder Cf-Chip Mikro-Kammer entwickelt nur ein Sph&auml;roid. In beiden Systemen Kultur waren Sph&auml;re Gr&ouml;&szlig;en und Verbreitung Preise fast identisch. Apoptose wurde nur bis 5 Div vergleichsweise hoch, jedoch wurde dann in der Cf-Chip, vernachl&auml;ssigbar, w&auml;hrend es oben-wieder in der herk&ouml;mmlichen Kultur Rose. In beiden Systemen offenbart immunhistochemische Charakterisierung die Anwesenheit von M&uuml;ller-Glia-Zellen, Ganglion, Amacrine, bipolar und horizontalen Zellen bei der h&ouml;chst vergleichbare Anordnung. In beiden Systemen wurden die Photorezeptoren nur bei Sph&auml;roide aus P3 Retinae festgestellt. Vorteile des Chip-basierten 3D Zellkultur eine zuverl&auml;ssige Kugel-Produktion in verbesserte Rentabilit&auml;t, die Machbarkeit der single sph&auml;re Beobachtung w&auml;hrend Anbau Zeit, eine hohe Reproduzierbarkeit und einfache Kontrolle der Kulturbedingungen wurden. Weiterentwicklung dieses Ansatzes sollte Hochdurchsatz-Systeme nicht nur f&uuml;r die Retina, sondern auch andere Arten von Histotypic Sph&auml;roide, geeignet f&uuml;r Umwelt&uuml;berwachung und biomedizinische Diagnostik zu erm&ouml;glichen.

Geweberekonstruktion in 3D-Sph&auml;roide von Nagetier Retina in ein Bewegungs-frei, Bioreaktor-basierte Gef&uuml;ge.

Process control methods for cell culture bioreactors include on-line monitoring of protein concentrations. Bioreactor samples typically contain high amounts of different proteins. The direct detection of a single protein in this complex medium is a challenging task within the development of biosensors with label-free detection. We introduce the development of a mass-sensitive biosensor based on surface acoustic waves (SAW) for the detection of hepatocyte growth factor/scatter factor (HGF/SF) in the serum containing medium of a miniaturized bioreactor for culturing hepatocytes. The specificity of the biosensor was obtained following two approaches. In the first approach, antibodies against HGF (anti-HGF) were immobilized covalently via an intermediate layer of dicarboxy polyethylene glycol on the biosensor surface. In the second approach, dextran sulfate and fucoidan were used as sensor coatings exploiting the fact that HGF binds specifically to those sulfated polysaccharides. Performing HGF assays, similar results were obtained using biosensors coated with dextran sulfate and biosensors coated with anti-HGF. Even higher sensor signals were obtained using biosensors coated with fucoidan, particularly at 37Â°C. Therefore, biosensor coatings based on biospecific sulfated polysaccharides offer a simple and cost-saving alternative compared to the commonly used coating with antibodies.

Biosensors coated with sulfated polysaccharides for the detection of hepatocyte growth factor/scatter factor in cell culture medium.

Prozess-Control-Methoden f&uuml;r Zelle Kultur Bioreaktoren Geh&ouml;ren Online-Pr&uuml;fung von Protein-Konzentrationen. Bioreaktor Proben enthalten in der Regel hohe Mengen an verschiedenen Proteinen. Der direkte Nachweis eines einzigen Proteins in dieses komplexe Medium ist eine anspruchsvolle Aufgabe in der Entwicklung von Biosensoren mit Etikett-frei-Erkennung. Wir f&uuml;hren die Entwicklung eines Masse-Sensitive Biosensors basierend auf akustische Oberfl&auml;chenwellen (SAW) zum Nachweis von Hepatozyten-Wachstumsfaktor/XY-Faktor (HGF/SF) im Serum mit Medium eines miniaturisierten Bioreaktors zur Kultivierung von Hepatozyten. Die Besonderheit der Biosensor wurde nach zwei Ans&auml;tze erzielt. Beim ersten Ansatz wurden Antik&ouml;rper gegen HGF (Anti-HGF) kovalent &uuml;ber Zwischenschicht Dicarboxy Polyethylenglykol auf der Biosensor-Oberfl&auml;che immobilisiert. Beim zweiten Ansatz dienten Dextran-Sulfat und Fucoidan als Sensor-Beschichtungen, die Ausnutzung der Tatsache, die speziell auf die sulfatierten Polysaccharide HGF bindet. HGF-Proben durchf&uuml;hren, wurden &auml;hnliche Ergebnisse mit Biosensoren beschichtet mit Dextran-Sulfat und Biosensoren beschichtet mit Anti-HGF abgerufen. Noch h&ouml;here Sensorsignale wurden erzielt mit Biosensoren beschichtet mit Fucoidan, besonders bei 37 &deg; C. Daher Basis Biosensor-Beschichtungen auf Biospecific sulfatierten Polysaccharide bieten eine einfache und kostensparende Alternative im Vergleich zu der h&auml;ufig verwendeten Beschichtung mit Antik&ouml;rpern.

Biosensoren mit sulfatierten Polysaccharide zum Nachweis von Hepatozyten-Wachstumsfaktor/XY-Faktor im Zellkulturmedium beschichtet.

For roughly ten years now, a new class of polymer micromoulding processes comes more and more into the focus both of the microtechnology and the biomedical engineering community. These processes can be subsumed under the term "microthermoforming". In microthermoforming, thin polymer films are heated to a softened, but still solid state and formed to thin-walled microdevices by three-dimensional stretching. The high material coherence during forming is in contrast to common polymer microreplication processes where the material is processed in a liquid or flowing state. It enables the preservation of premodifications of the film material. In this progress report, we review the still young state of the art of microthermoforming technology as well as its first applications. So far, the applications are mainly in the biomedical field. They benefit from the fact that thermoformed microdevices have unique properties resulting from their special, unusual morphology. The focus of this paper is on the impact of the new class of micromoulding processes and the processed film materials on the characteristics of the moulded microdevices and on their applications.

Thermoforming of film-based biomedical microdevices.

Seit etwa zehn Jahren kommt eine neue Klasse von Polymer-Micromoulding-Prozessen mehr und mehr in den Fokus sowohl der Mikrotechnik und der Medizintechnik-Gemeinschaft. Diese Prozesse k&ouml;nnen unter dem Begriff &quot;Microthermoforming&quot; zusammengefasst werden. In Microthermoforming sind d&uuml;nnen Polymerfolien auf eine weiche, aber dennoch solide Zustand erhitzt und zum d&uuml;nnwandigen Mikrovorrichtungen durch dreidimensionale Dehnung. Die hohe materielle Koh&auml;renz Verformung ist im Gegensatz zu gemeinsamen Polymer-Microreplication-Verfahren, in dem das Material in einem fl&uuml;ssigen oder flie&szlig;enden Zustand verarbeitet wird. Es erm&ouml;glicht die Erhaltung der Premodifications von dem Filmmaterial. In diesem Zwischenbericht &uuml;berpr&uuml;fen wir die noch junge Stand der Technik der Microthermoforming-Technologie sowie seine ersten Anwendungen. Bisher sind die Anwendungen vor allem im biomedizinischen Bereich. Sie profitieren von der Tatsache, dass thermogeformte Mikrovorrichtungen einzigartige Eigenschaften, die durch ihre besondere, ungew&ouml;hnliche Morphologie. Dieses Dokument konzentriert sich auf die Auswirkungen der neuen Klasse von Micromoulding Prozessen und der verarbeiteten Filmstoffe &uuml;ber die Merkmale der geformten Mikrovorrichtungen und ihre Anwendungen.

Thermoformen von biomedizinischen Mikrovorrichtungen Zelluloid.

Eine der gr&ouml;&szlig;ten Auswirkungen auf in-vitro-Zellbiologie war die Einf&uuml;hrung der dreidimensionalen (3D) Kultur-Systeme vor mehr als sechs Jahrzehnten und dieser Epoche kann als Beginn des 3D-Gewebekultur bezeichnet werden. Obwohl die Vorteile offensichtlich waren, war dieses Forschungsfeld &quot;Dornr&ouml;schen&quot; bis in die 1970er, als Vielzellige Sph&auml;roide als ideale Tumor Modelle entdeckt wurden. Mit dieser Wiedergeburt Organotypical-Kultur-Systeme wurde wertvolle Tools, und dieser Trend weiterhin zunimmt. W&auml;hrend der Anfang, einfache Ans&auml;tze wie die Aggregation-Techniken, wurden aufgrund ihrer Einfachheit und Bequemlichkeit bevorzugte, nun komplexere Systeme werden verwendet und sind noch in der Entwicklung. Einer der die Steigerungen bei der Entwicklung von neuen Techniken entsteht durch aufwendige Herstellung und Oberfl&auml;chenmodifizierung Techniken, vor allem Mikro und Nano-Technologien, die entweder dramatisch verbessert haben oder vor kurzem entwickelt haben. Mit Hilfe dieser Tools bald werden anspruchsvollere und organotypische-wie Kultur-Systemen generiert. Da 3D-Systeme durchblutete oder superfused sehr viel komplexer sind, einrichten und pflegen im Vergleich um zu der Petrischalen und Kultur-Flaschen zu verwenden, muss der Mehrwert der 3D Ans&auml;tze noch nachgewiesen werden.

Das ber&uuml;hmte versus unbequem - oder die Morgenr&ouml;te und der Aufstieg des 3D-Kultur-Systeme.

One of the greatest impacts on in vitro cell biology was the introduction of three-dimensional (3D) culture systems more than six decades ago and this era may be called the dawn of 3D-tissue culture. Although the advantages were obvious, this field of research was a "sleeping beauty" until the 1970s when multicellular spheroids were discovered as ideal tumor models. With this rebirth, organotypical culture systems became valuable tools and this trend continues to increase. While in the beginning, simple approaches, such as aggregation culture techniques, were favored due to their simplicity and convenience, now more sophisticated systems are used and are still being developed. One of the boosts in the development of new culture techniques arises from elaborate manufacturing and surface modification techniques, especially micro and nano system technologies that have either improved dramatically or have evolved very recently. With the help of these tools, it will soon be possible to generate even more sophisticated and more organotypic-like culture systems. Since 3D perfused or superfused systems are much more complex to set up and maintain compared to use of petri dishes and culture flasks, the added value of 3D approaches still needs to be demonstrated.

The famous versus the inconvenient - or the dawn and the rise of 3D-culture systems.

Due to the architecture of solid body tissues including bone, three-dimensional (3D) in vitro microenvironments appear favorable, since herein cell growth proceeds under more physiological conditions compared to conventional 2D systems. In the present study we show that a 3D microenvironment comprising a fibronectin-coated PMMA/PC-based micro-chip promotes differentiation of primary human osteoblasts as reflected by the densely-packed 3D bone cell aggregates and expression of biomarkers indicating osteoblast differentiation. Morphogenesis and fluorescence dye-based live/dead staining revealed homogenous cell coverage of the microcavities of the chip array, whereat cells showed high viability up to 14 days. Moreover, Azur II staining proved formation of uniform sized multilayered aggregates, exhibiting progressive intracellular deposition of extracellular bone matrix constituents comprising fibronectin, osteocalcin and osteonectin from day 7 on. Compared to 2D monolayers, osteoblasts grown in the 3D chip environment displayed differential mostly higher gene expression for osteocalcin, osteonectin, and alkaline phosphatase, while collagen type I remained fairly constant in both culture environments. Our results indicate that the 3D microenvironment, based on the PMMA biomaterial chip array promotes osteoblast differentiation, and hereby renders a promising tool for tissue-specific in vitro preconditioning of osteoblasts designated for clinically-oriented bone augmentation or regeneration.

Promotion of osteoblast differentiation in 3D biomaterial micro-chip arrays comprising fibronectin-coated poly(methyl methacrylate) polycarbonate.

Aufgrund der Architektur des festen K&ouml;rper-Gewebe, einschlie&szlig;lich Knochen erscheinen dreidimensionale (3D) in-vitro Mikroumgebungen g&uuml;nstig, da hierin Zellwachstum unter Weitere physiologischen Bedingungen im Vergleich zu konventionellen 2D Systeme geht. In der vorliegenden Studie zeigen wir, dass ein 3D Mikromilieu, bestehend aus einem Fibronektin-beschichtete PMMA/PC-basierte Mikrochip Differenzierung der prim&auml;ren menschlichen Osteoblasten f&ouml;rdert, die dicht gepackt 3D Knochen Zelle Aggregate und Ausdruck von Biomarkern, die Osteoblasten Differenzierung deutlich zum Ausdruck kommt. Morphogenese und Fluoreszenz wasserl&ouml;sliche live/Dead F&auml;rbung offenbarte homogene Zelle Berichterstattung &uuml;ber die Mikrokavit&auml;ten des Chip-Arrays, wobei Zellen zeigten hohe Tragf&auml;higkeit bis 14 Tage. Dar&uuml;ber hinaus bewiesen die Azur II Beflecken Anordnung der einheitlichen Gr&ouml;&szlig;e vielschichtig Gesamtheiten, progressive intrazellul&auml;re Ablagerungen Knochen der extrazellul&auml;ren Matrix W&auml;hler bestehend aus Fibronektin, Osteocalcin und Osteonectin ab Tag 7 auf ausstellen. Im Vergleich zu 2D Monolayers, Osteoblasten, gewachsen in der 3D Chip-Umgebung angezeigt differenzielle meist h&ouml;here Genexpression f&uuml;r Osteocalcin, Osteonectin und alkalische Phosphatase, w&auml;hrend Kollagen Typ ich blieb relativ konstant in beiden Kultur-Umgebungen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die 3D Mikromilieu, auf der Grundlage des PMMA-Biomaterial-Chip-Arrays f&ouml;rdert die Differenzierung von Osteoblasten und rendert hiermit ein viel versprechendes Hilfsmittel Gewebe-spezifischen in-vitro-Vorkonditionierung der Osteoblasten, die f&uuml;r die klinisch-orientierte Knochenaugmentation oder Regenerierung.

F&ouml;rderung der Osteoblasten Differenzierung in 3D Biomaterial Mikrochip arrays bestehend aus Fibronektin-beschichteten Poly (Methyl-Methacrylat) Polycarbonat.

ArticleTotal : 2	Year
Publication title Cited by 7	2008
Publication title Cited by 11	2008

Article	Year
Microstructured scaffolds for liver tissue cultures of high cell density: morphological and biochemical characterization of tissue aggregates. Journal of cellular biochemistry\| PubMed ID: 15770659	2005
Expression of the cochaperone HspBP1 is not coordinately regulated with Hsp70 expression. Cell biology international\| PubMed ID: 16677834	2006
Expression of HSP72 after ELF-EMF exposure in three cell lines. Bioelectromagnetics\| PubMed ID: 17508393	2007
A chip-based platform for the in vitro generation of tissues in three-dimensional organization. Lab on a chip\| PubMed ID: 17538721	2007
Chondrogenesis of mesenchymal stem cells in gel-like biomaterials in vitro and in vivo. Frontiers in bioscience : a journal and virtual library\| PubMed ID: 18508526	2008
Tissue reconstruction in 3D-spheroids from rodent retina in a motion-free, bioreactor-based microstructure. Lab on a chip\| PubMed ID: 19023488	2008
Biosensors coated with sulfated polysaccharides for the detection of hepatocyte growth factor/scatter factor in cell culture medium. Biosensors & bioelectronics\| PubMed ID: 20719493	2010
Thermoforming of film-based biomedical microdevices. Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.)\| PubMed ID: 21400590	2011
The famous versus the inconvenient - or the dawn and the rise of 3D-culture systems. World journal of stem cells\| PubMed ID: 21607106	2009
Promotion of osteoblast differentiation in 3D biomaterial micro-chip arrays comprising fibronectin-coated poly(methyl methacrylate) polycarbonate. Biomaterials\| PubMed ID: 21868090	2011
Closer to nature-bio-inspired patterns by transforming latent lithographic images. Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.)\| PubMed ID: 21935996	2011

Eric Gottwald

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