Neue Ansätze zur populationsbasierten kinetischen Untersuchung und Modellierung von Hochzelldichte-Zellkulturen

• Antragsteller: Professor Dr. An-Ping Zeng
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262212635

Für Säuger-Zellkulturen, wie sie in Bioreaktoren kultiviert werden, wird üblicherweise stark vereinfacht ein undifferenziertes kinetisches Verhalten angenommen. Tatsächlich handelt es sich bei Zellkulturen jedoch um eine Mischung mehrerer Sub-Populationen, die zeitlich variabel zusammengesetzt sind und über das Kulturmedium miteinander interagieren. Eine bedeutende Ursache für die Ausbildung solcher Sub-Populationen ist das Fortschreiten der einzelnen Zellen im Zellzyklus. Stoffwechsel- und Regulationsvariationen von Säuger-Zellen in Abhängigkeit vom Zellzyklus wurden bisher unvollständig bzw. unsystematisch untersucht und sind Gegenstand kontroverser Diskussionen in der Literatur, deren Spektrum von der Annahme weitestgehend ereignisloser zellzyklusunabhängiger Stoffwechselvorgänge bis hin zu äußerst komplexen und nicht im Detail erklärten Regulationskaskaden reicht. Hauptgründe für diese Diskrepanzen sind unvollständig validierte bzw. nichtphysiologische Synchronisationsmethoden sowie unzureichende statistische Analytik und kinetische Beschreibung. In unserer Gruppe wurden in den letzten Jahren auf Seiten der Zellkulturtechnik und der Modellierung die notwendigen methodischen Grundlagen geschaffen, um systematische, kinetische und gut validierte Untersuchungen zellzyklusspezifischer Stoffwechselvorgänge und Regulierungen in Zellkulturen unter weitgehend ungestörten, das heißt vor allem prozessrelevanten Bedingungen vornehmen und auswerten zu können. In ersten Untersuchungen zeigten sich bereits zellzyklusabhängige Variationen von zellmassespezifischen Substratumsatzraten. Im Rahmen des beantragten Projektes soll erstmalig mit Hilfe von populationsbasierter kinetischer Analyse und statistischer modellgestützter Absicherung für zwei ausgewählte Modellzelllinien - CHO (Chinese Hamster Ovary) und die humane neuronale Zelllinie AGE1.HN - eine systematische Aufklärung relevanter zellzyklusabhängiger Stoffwechselprozesse unter physiologischen Prozessbedingungen, insbesondere auch unter Hochzelldichtebedingungen, vorgenommen werden. Der Fokus liegt dabei vor allem auf der Regulationsdynamik des Pyruvatstoffwechsels unter Stressbedingungen sowie dem Einfluss von Zell¬dichte auf den Zentralstoffwechsel und die Wachstumskinetik. Weiterhin soll die Ausnutzung derartiger kinetischer Zusammenhänge für die optimale Steuerung der Prozessstabilität unter wechselnden Kultivierungsbedingungen angestrebt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen