Microcarrier

Microcarrier (auch microcarrier beads, deutsch etwa ‚Mikroträgerperlen‘) sind in der Zellkultur und Biotechnologie meist kugelförmige Wachstumssubstrate für die Produktion von adhärenten Zellen in Bioreaktoren in größeren Mengen (in 3D-Zellkultur) oder von daraus gewonnenen rekombinanten Proteinen.

Humane iPS auf Microcarrier in einer spinner flask

Eigenschaften

Microcarrier haben typischerweise einen Durchmesser von 0,1 – 0,3 Millimetern.^[1] Dadurch haben sie im Vergleich zur Monolayer-Zellkultur in Zellkulturflaschen oder -schalen (2D-Zellkultur) ein deutlich höheres Oberflächen-Volumen-Verhältnis^[2] und eine vielfach erhöhte Ausbeute.^[3] Die Vorteile gegenüber der 2D-Zellkultur liegen in:^[4]

• Skalierbarkeit
• Computer-steuerbare Kulturbedingungen
• Geringerer Platzverbrauch
• Geringerer Arbeitsaufwand
• eine natürlichere Umgebung, die eine Zelldifferenzierung fördert

Es gibt von der Kugelform abweichende Formen.^[5] Die Dichte der Microcarrier liegt knapp über der des Zellkulturmediums, wodurch sie nur langsam absinken und durch Zentrifugation vom Medium getrennt werden können. Die für Microcarrier am häufigsten verwendete Zelllinie sind Vero-Zellen.^[6] Für eine therapeutische Anwendung im Menschen werden oftmals biologisch abbaubare Microcarrier verwendet.^[7] Die Rührgeschwindigkeit im Bioreaktor wird so gewählt, dass die Zellen mit Nährstoffen versorgt werden (je schneller, desto weniger Diffusionsgradienten) und wenig störende Kräfte auftreten (je langsamer, desto weniger Schäden).^[3][8]

Kommerzielle Microcarrier^[2]

Name	Größe (μm)	Dichte (g/mL)	Material
Cytodex-1	60–87	1,03	Dextranperlen mit positiv-geladenen Diethylaminoethylgruppen
Cytodex-2	60–87	1,04	Dextranperlen mit N,N,N-Trimethyl-2-hydroxyaminopropylgruppen
Cytodex-3	60–87	1,04	Dextranperlen mit Oberfläche aus vernetzter porciner Gelatine
Cytopore 1	200–280	1,03	Cellulose
CultiSpher G	130–380	1,04	Vernetzte porcine Gelatine
CultiSpher S	130–380	1,04	Vernetzte porcine Gelatine
Hillex	150–210	1,1	Dextran-Matrix mit Oberflächenbehandlung
Beschichtetes Glas	90–150	1,05	Glas

Geschichte

Der erste Microcarrier wurde 1967 von A. L. van Wezel verwendet und bestand aus Diethylaminoethyl–Sephadex A50 (vernetztes DEAE-Dextran).^[9][2] In Folge sind zahlreiche andere Materialien entwickelt worden, wie zunächst DEAE-Dextran, Glas, Polystyrol und Polyacrylamid, aber die Anhaftungsquote der Zellen war vergleichsweise niedrig.^[2] Synthetische Polymere zeigten ein langsameres Wachstum durch geringere Anzahl an Zellkontakten.^[8] Ab den 1980er Jahren wurden poröse Microcarrier entwickelt, die eine höhere Zelldichte ermöglichen und vor allem weniger von Außen einwirkende Kräfte und Kollisionen mit sich brachten,^[8] insbesondere weniger Scherkräfte, weniger Strömungswiderstand an den Zellen, weniger Reibung und weniger Druckunterschiede.^[3] Darunter sind viele auf Basis von Biopolymeren wie Kollagen, Gelatine, Chitin und -derivate sowie Cellulose,^[1] Seide, Fibrin, Alginat und Agarose, Hyaluronsäure, Chondroitinsulfat und extrazelluläre Matrizen.^[10] Diese sind zudem biokompatibel, wodurch sie in vivo eingesetzt werden können.^[3]

Literatur

• X. Huang, Z. Huang, W. Gao, W. Gao, R. He, Y. Li, R. Crawford, Y. Zhou, L. Xiao, Y. Xiao: Current Advances in 3D Dynamic Cell Culture Systems. In: Gels. Band 8, Nummer 12, Dezember 2022, S. , doi:10.3390/gels8120829, PMID 36547353, PMC 9778081 (freier Volltext).
• S. Derakhti, S. H. Safiabadi-Tali, G. Amoabediny, M. Sheikhpour: Attachment and detachment strategies in microcarrier-based cell culture technology: A comprehensive review. In: Materials science & engineering. C, Materials for biological applications. Band 103, Oktober 2019, S. 109782, doi:10.1016/j.msec.2019.109782, PMID 31349523.