StemCellFactory I

Der Prozess der Herstellung von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) und die darauf folgende Differenzierung in unterschiedliche somatisch Zelltypen, wie Nerven- und Herzmuskelzellen, erfordert zahlreiche sehr aufwändige manuelle Arbeitsschritte. Zudem birgt die iPS Zell-Technologie ein enormes Potenzial im Hinblick auf personalisierte Therapieentwicklung. Ein Patienten-spezifischer Ansatz erfordert jedoch eine aufwändige Parallelisierung aller Prozesse, die mit konventionellen manuellen Zellkulturverfahren nicht mehr umsetzbar sind.

Ziele der 1. Projektphase waren daher (i) die Entwicklung und Etablierung automatisierter Prozessabläufe zur Reprogrammierung von somatischen Zellen, (ii) die Konzeption und der Aufbau eines integrierten automatisierten Anlagenprototypen und (iii) die Entwicklung von Prozessabläufen für die  Herstellung von iPS Zellen und iPS Zell-basierten Produkten für die pharmazeutische Wirkstoffentwicklung nach industriellen Maßstäben und Standards, inklusive aller notwendigen Qualitätskontrollen.

Zur Entwicklung und Etablierung integrierter automatisierter Prozessabläufe wurden alle biologischen Abläufe, die notwendig sind, um humane somatische Zellen zu reprogrammieren, zu vermehren und zu differenzieren in maschinentaugliche Grundprozesse zerlegt, um daraus optimierte Prozessabläufe zu erstellen. Dabei wurden "state of the art" integrationsfreie und Feederzell-freie Reprogrammierungsmethoden implementiert. Zudem wurden für einzelne Prozessschritte innovative Lösungen erforscht und entwickelt, die sich in besonderem Maße das Potenzial der automatisierten optischen und mechatronischen Komponenten der StemCellFactory zu Nutze machen, wie die automatisierte high-speed Mikroskopie oder die automatisierte Erkennung und Selektion primärer humaner iPS-Zellkolonien, um die automatisierte Ernte und klonale Expansion der Zellen auf der Anlage umzusetzen. Zudem wurden innovative bioreaktorbasierte Prozesse für die Expansion humaner pluripotenter Stammzellen und der neuralen und kardialen Derivate entwickelt. Auf der eigens konstruierten Microplate-Dispenser-Station können die differenzierten Zellen in high-throughput-fähigen Formaten ausgesät werden.

Die Herstellung von iPS Zellen und iPS Zell-basierten Zellprodukten für die Pharmaindustrie erfordert ein hohes Maß an Qualitätskontrolle und Dokumentation während der gesamten Produktion, um einen angemessenen Qualitätsstandard der zellulären Endprodukte zu erzielen. Hierzu wurde eine Vielzahl an Messtechnikmodulen entwickelt und im Anlagendemonstrator integriert. Außerdem wird eine genomweite Validierung der Endprodukte mittels DNA Chip Technologie und Methoden der Bioinformatik und Systembiologie durchgeführt.

Parallel zur Entwicklung der integrierten automatisierten Prozessabläufe, konnte die Konstruktion und der Aufbau des automatisierten Anlagendemonstrators bei LIFE&BRAIN in Bonn realisiert werden.

Nach Abschluss des Aufbaus des StemCellFactory Anlagendemonstrators wurden die automatisierten Prozessabläufe mittels der eigens hierfür entwickelten Leitebene auf dem Demonstrator umgesetzt und validiert.