Das Forschungsinstitut für Nutztierbiologie (FBN) in Dummerstorf, Deutschland, konzentriert sich auf die Erforschung besserer Nutztierhaltung im Kontext einer nachhaltigen Landwirtschaft. Das Institut organisiert seine Forschung in vier Hauptthemen: Individualisierung der Haltung von Nutztieren, Haltung von Nutztieren in nachhaltigen Ressourcenkreisläufen, Bewältigung kritischer Lebensphasen von Nutztieren und Förderung der Vielfalt in der Tierhaltung. In diesem Rahmen erkunden mehrere Arbeitsgruppen spezifische Themen. Die Arbeitsgruppe Zellbiologie des Muskelwachstums am FBN wird von Dr. Monika Röntgen geleitet. Sie beschreibt, wie neue Forschungswerkzeuge, wie etwa das LiCellMo von PHCbi, eine größere Genauigkeit und zeitsparende Möglichkeiten bei der Messung wichtiger Parameter der Myogenese (Muskelentwicklung und -wachstum) bieten.
Die postnatale Myogenese hängt von Muskelstammzellen, einschließlich Satellitenzellen (SC), ab. Die Anzahl und die funktionalen Eigenschaften dieser Stammzellen bestimmen die Muskelbildung, das Wachstum, das Regenerationspotenzial und die Anpassungsfähigkeit. Und während kritischer Phasen der Muskelentwicklung kann ihre Funktionalität durch eine Vielzahl von Faktoren dauerhaft verändert werden.
„Unsere Forschung zielt darauf ab, zu einem besseren Verständnis der Prozesse der Muskelentwicklung und -plastizität beizutragen, um die Muskelgesundheit, die Körperzusammensetzung und die Fleischqualität bei Nutztieren zu verbessern. Wir suchen auch nach alternativen und umweltfreundlichen Methoden zur Erzeugung von tierischem Protein als Bestandteil der globalen Ernährungssicherheit“, erklärte sie. „Unsere Forschungsschwerpunkte sind die molekulare und metabolische Steuerung früher postnataler myogener Prozesse bei Nutztieren, die Modulation des SC-Wachstums durch Nahrungsbestandteile, bioaktive Substanzen und Komponenten des Immunsystems sowie die Gewinnung von Proteinen für die menschliche Ernährung aus tierischen Stammzellen.“
Von Anfang an fokussiert
Die Arbeitsgruppe ist besonders daran interessiert, die Muskelentwicklung in der sehr frühen postnatalen Zeit besser zu verstehen. Dies ist ein kritischer Zeitraum, weil zwei Dinge passieren. Zunächst entwickelt sich die (adulte) Stammzellpopulation. Und zweitens wächst das Muskelgewebe, insbesondere die Muskelfasern, sehr schnell. „Bisher wurde die Rolle von Stammzellen in der frühen Muskelentwicklung von Nutztieren von anderen kaum erforscht“, sagte Dr. Röntgen. "Wir konzentrieren uns auf die Forschung am Schwein, weil es ein sehr wichtiges Nutztier ist, aber auch ein sehr interessantes Modell für die Humanmedizin."
„Konkret versuchen wir, mehr über eine wichtige genetische Krankheit herauszufinden, die in dieser frühen Phase auftritt: das ‚Splay-Leg-Syndrom‘, das dazu führt, dass Ferkel nicht stehen und daher auch nicht trinken können. Sie kann zum frühen Tod der betroffenen Ferkel führen“, fuhr sie fort. „Die Pathogenese dieser Krankheit ist nicht wirklich verstanden.“ Sie kommt auch bei vielen anderen Arten vor: Menschen, Hunden und Schafen. Ein besseres Verständnis der Krankheit liefert weitere Erkenntnisse über die frühe und pränatale Muskelentwicklung, die bei dieser Krankheit gestört sind.
Die Gruppe „Zellbiologie des Muskelwachstums“ ist auch sehr daran interessiert, neue Wege zur Reduzierung des Einsatzes von Antibiotika durch Alternativen zu finden, und konzentriert sich dabei auf die Untersuchung der Rolle von Probiotika.
Fleisch aus Zellkultur
Das derzeit größte Projekt der Gruppe ist jedoch die Entwicklung eines kompletten Verfahrens zur Herstellung von Fleisch aus Schweinestammzellen. Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und das FBN arbeitet mit drei weiteren Partnern zusammen: zwei Forschungsinstituten und einem Unternehmen.
Skalierung
In der Gruppe von Dr. Röntgen arbeitet, unter anderem, M.Sc. Tessa Wolter an diesem Projekt, das darauf abzielt, Lösungen für die Herstellung hochwertiger tierischer Proteine auf Zellbasis zu entwickeln.
„Generell interessieren wir uns sehr für Stoffwechselprozesse und die regulierende Rolle von Stoffwechsel- und Mitochondriensignalen bei der Zellproliferation und -differenzierung, wobei Laktat eine wichtige Rolle spielt“, so Dr. Röntgen. „Um Muskelzellen für Fleisch aus Zellkultur herzustellen, müssen wir eine höhere Effizienz der Myogenese erreichen. Eine Möglichkeit hierfür besteht darin, die Zusammensetzung des Nährmediums so zu verändern, dass der Stoffwechsel der Zellen effektiver wird.
Mit dem LiCellMo können Sie Medienproben aus Ihrem Bioreaktor auf Glukose und Laktat analysieren, um das Zellwachstum und die Stoffwechselaktivität zu kontrollieren.
„Bei unserer Arbeit müssen wir viele Tests durchführen, um unsere Medien hinsichtlich Glukose und anderen Komponenten zu optimieren“, fuhr sie fort. „Das LiCellMo hilft uns dabei, weil wir die positiven oder negativen Auswirkungen solcher Veränderungen direkt und in Echtzeit sehen können.“ Normalerweise müsste man seine Experimente abschließen, bevor man mit der Analyse der Medienproben beginnen könnte. Und das ist natürlich ein sehr zeitaufwändiger Prozess.
Mit dem LiCellMo kann das Forschungsteam direkt erkennen, wie sich die Stoffwechselaktivität der Zellen durch pH-Wert, Glukose und Laktat verändert, und kann schnell Entscheidungen über den optimalen Zeitpunkt zum Wechseln der Medien treffen.
„Ein weiterer Punkt ist, dass wir skalieren müssen“, erklärte Dr. Röntgen weiter. „Dies ist eine der größten Herausforderungen, da wir in der Standardzellkultur normalerweise Schalen oder Kolben mit kleinen Volumina von 12 bis 20 ml verwenden. Wenn man anfängt, mit einem Bioreaktor zu arbeiten, ist das Volumen deutlich größer und man muss zuerst herausfinden, welche Zelldichte optimal ist. Das klingt einfach, ist aber der wichtigste Punkt für alle weiteren Schritte, die folgen werden. In unserem Fall haben wir zunächst von einer 12-ml-Schale in einen kleineren Bioreaktor mit einem Gesamtvolumen von 200 Millilitern gewechselt und dann mit einem Bioreaktor mit einem Volumen von 20 Litern begonnen, in größerem Maßstab zu arbeiten. Natürlich kann man die Situation nicht einfach so von einer Schale auf diese große Menge übertragen. Sie müssen also kontrollieren, was im Laufe der Zeit geschieht. Mit dem LiCellMo können Sie Medienproben aus Ihrem Bioreaktor auf Glukose und Laktat analysieren, um das Zellwachstum und die Stoffwechselaktivität zu kontrollieren.“
Praktische Vorteile
„Ein Vorteil des LiCellMo ist seine kleine Größe. Er passt sehr gut in unseren Inkubator und nimmt nicht zu viel Platz weg. „Es ist also noch genug Platz, um weitere Experimente parallel durchzuführen“, sagte Frau Wolter. „Das Display, das die Daten in Echtzeit anzeigt, war ebenfalls sehr hilfreich.“
„Das LiCellMo ist einfach zu bedienen und vor allem sehr, sehr empfindlich. Daher ist es sehr wichtig, für alle getesteten Bedingungen Medienblanks zu haben, um zwischen Zellaktivitäten und Handhabungseffekten, z. B. durch Öffnen der Inkubator-Tür, unterscheiden zu können.
„Ein weiterer Vorteil des LiCellMo ist, dass man die Experimente in einem kleinen Volumenformat durchführen kann, was dazu beiträgt, Ressourcen wie Primärzellen oder Medien einzusparen“, betonte sie. „Im Gegensatz zum 96-Well-Format ist das 24-Well-Plattenformat, das beim LiCellMo verwendet wird, nicht zu klein. Dies ist wichtig, da bei vielen Zelltypen die Fähigkeit zu proliferieren und zu differenzieren je nach Größe Ihrer Kulturschale unterschiedlich ist. Sie müssen das optimale Format herausfinden, aber 24 Wells ist ein gutes Format für den Anfang, und die Zellen wachsen oft besser als in kleineren Formaten.“
Dr. Röntgen fügte hinzu, dass bisher vor allem handelsübliche Testkits zur Messung von Laktat verwendet wurden, das LiCellMo jedoch erhebliche Vorteile bietet.
The LiCellMo is simple to use, and most important, it is very, very sensitive.
„Laktat ist natürlich sehr wichtig in den Muskeln“, sagte sie. „Die Messung der Laktatdehydrogenase-Aktivität in Muskelgewebe oder Zellen ist eine Standardmethode, um Informationen über die Stoffwechselsituation zu erhalten. Eine andere Methode ist die Messung der extrazellulären Laktatkonzentration mit Testkits, die in unseren Händen speziell bei der Arbeit mit Zellen nicht empfindlich genug waren. Zusätzlich werden bei beiden Methoden die Proben nach Abschluss des Experiments analysiert. Hier muss ich sagen, dass die Laktatanalyse mit dem LiCellMo aufgrund seiner höheren Empfindlichkeit viel besser funktioniert.“
„Es ist auch ein Vorteil, dass man parallel andere Experimente durchführen kann, weil das LiCellMo normale, handelsübliche Zellkulturplatten verwendet“, sagte Frau Wolter. „Und das Wichtigste: Sie können die Zellen nach der Überwachung für weitere Untersuchungen verwenden.“ Beispielsweise können Sie Zellzahlen, DNA- und Proteinkonzentrationen bestimmen, um das Zellwachstum zu charakterisieren, oder die Expression von Genen untersuchen, um regulatorische Prozesse zu verstehen. Mit dem LiCellMo handelt es sich nicht um einen Endpunkt-Assay. Wenn Sie während der Messung an anderen Tests oder Behandlungen interessiert sind, können Sie das LiCellMo jederzeit anhalten und die Messung später fortsetzen.
Zukünftiges Potenzial
Für Dr. Röntgen könnten direkte Messungen aus größeren Bioreaktoren entscheidend sein.
„Es ist schon ein Vorteil, dass wir Medien aus unseren Bioreaktoren mit Geräten wie dem LiCellMo analysieren können“, sagte sie. „Wir wissen, dass wir später... in der Zukunft... viel größere Bioreaktoren haben werden, und dann wäre es großartig, eine direkte Möglichkeit zu haben, die Medien in einem Bioreaktor im Laufe der Zeit zu beproben und zu kontrollieren. Damit können wir direkt eine Probe entnehmen, sie analysieren und relevante Informationen gewinnen.“
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