Diese Arbeit wertet 7 Originalstudien aus, die zwischen 2012 und 2024 veröffentlicht wurden und Arbeiten von Teams aus China, den USA, Mexiko sowie internationale Kooperationsarbeiten umfassen, und stellt sie in einem narrativen Überblick dar. Der Schwerpunkt liegt auf Belegen aus der Materialentwicklung und In-vitro-Kultur; einzelne Veröffentlichungen enthalten zudem Tierstudien. In-vitro-Experimente mit menschlichen Zellen werden in dieser Arbeit nicht als klinische Wirksamkeitsdaten am Menschen dargestellt.
01Kulturbasis für Zellen und dreidimensionale Gerüste: Zuerst festlegen, was beobachtet werden soll
Bei der Entwicklung von Zellkulturmaterialien muss zunächst die experimentelle Fragestellung geklärt werden: Soll die initiale Adhäsion verbessert, die Ausrichtung und Migration beobachtet oder erreicht werden, dass Zellen in eine Struktur von definierter Dicke eindringen und Matrix abscheiden? Diese Ziele erfordern unterschiedliche Anforderungen an Poren, Stützung und Oberfläche. Ergebnisse der konventionellen planaren Kultur sind von der Zellverteilung innerhalb dreidimensionaler Gerüste getrennt zu bewerten. Allein die äußere Dicke eines Gerüsts rechtfertigt nicht die Bezeichnung als dreidimensionale Kultur.3,4,5,6
| Kulturanforderungen | Diskutierbare Faserstrukturen | Schwerpunkte der Beobachtung |
|---|---|---|
| Planare Kultur und Materialauswahl | Zufällige Fasermembranen, oberflächenmodifizierte Membranen | Zelladhäsion, -aktivität, -ausbreitung und Zielphänotyp 1,2 |
| Ausgerichtete Zellen und Matrixgewebe | Ausgerichtete Fasern, Verbundstrukturen mit entfernbarer Komponente | Ausrichtungsrichtung, Benetzung und Matrixverteilung 5 |
| Dreidimensionale Zellkultur | Mehrskalige Fasern, Direktschreibgitter, poröse Gerüste | Interne Zellverteilung, Porenvernetzung und Formstabilität 3,4,6 |
„Allgemeine Gewebegerüste“ bezeichnen hier eine Materialplattform, die an unterschiedliche Zelltypen und experimentelle Zwecke angepasst werden kann; sie implizieren nicht, dass eine einzige Rezeptur für alle Gewebe geeignet ist. Forschende müssen weiterhin Zellherkunft, Kulturbedingungen, Kulturdauer sowie die beizubehaltenden oder zu induzierenden Funktionen angeben.1,2,3,4,5,6,7
02Vom Material zur Porenstruktur: Welche Variablen lassen sich durch Elektrospinnen regulieren?
Beim Elektrospinnen können synthetische Polymere mit Komponenten wie Proteinen zu Fasern verarbeitet werden; alternativ kann zunächst ein Gerüst hergestellt und anschließend oberflächenfixiert oder nachbehandelt werden. Eine Mischung verändert nicht nur die Zusammensetzung, sondern möglicherweise auch den Lösungszustand, die Fasermorphologie und die Benetzung. Beim Vergleich zweier Rezepturen sollten strukturelle Veränderungen daher gemeinsam mit den zellulären Ergebnissen analysiert werden.1,2,3,7
Hinsichtlich der Struktur können Faserdurchmesser, zufällige oder geordnete Anordnungen, das Nebeneinander von Fasern unterschiedlicher Skalen sowie die Schichtung von Gittern diskutiert werden. Feinere Fasern begünstigen eine reichhaltige Kontaktfläche, doch eine dichte Packung kann das Eindringen von Zellen ins Innere einschränken. Bei der Gestaltung des Gerüsts ist eine für das jeweilige Vorhaben geeignete Kombination aus Kontaktfläche, Poren, Stützung und Zellverhalten zu finden.3,4,5
03Zelladhäsionsoberfläche: Proteinmischung und nachträgliche Kollagenmodifikation
Mischung von Wolkenkeratin mit PCL
Wu et al. extrahierten 2018 regeneriertes Keratin aus Wolle, mischten es mit PCL und stellten durch Elektrospinnen Fasern her. Sie verglichen Benetzbarkeit, Abbau und Zellkulturverhalten bei unterschiedlichen Mischungsverhältnissen. Ein 7-tägiger Versuch mit Mausfibroblasten zeigte eine verbesserte Zelladhäsion und Zellaktivität in keratinhaltigen Systemen. Natürliche Proteine können somit die Kontaktoberfläche synthetischer Polymere beeinflussen, ohne allein die Faserbildung und die Stützfunktion übernehmen zu müssen.1
Die Ergebnisse dieser Studie stammen aus einem spezifischen Verfahren zur Keratinbehandlung, dem PCL-System und einem Zellmodell. Nach einem Wechsel der Rohstoffquelle oder des Extraktionsverfahrens müssen Faserbildung und zelluläres Verhalten der Rezeptur erneut überprüft werden. Die Bezeichnung „natürliche Herkunft“ darf nicht pauschal mit guter Verträglichkeit unter allen Anwendungsbedingungen gleichgesetzt werden.1
Zuerst das PVA-Gerüst spinnen, anschließend Kollagen anbinden
Das mexikanische Team von Pérez-Nava et al. wählte 2023 einen anderen Ansatz: Zunächst wurden Nanofasern aus Polyvinylalkohol (PVA) hergestellt, anschließend wurde Kollagen durch weitere Reaktionen auf der Oberfläche immobilisiert. Chemische Charakterisierung, mechanische Prüfungen im trockenen und feuchten Zustand sowie HEK-293-Zellkulturen zeigten eine verbesserte Zellverträglichkeit nach der Oberflächenfunktionalisierung. Biologische Komponenten müssen daher nicht zwingend dasselbe Spinnlösungsmittel und denselben Faserbildungsprozess durchlaufen; sie können auch nach der Gerüstbildung eingebracht werden.2
Für die Probeneentwicklung bedeutet dies, dass „die stabile Filmbildung“ und „mit welcher Oberfläche die Zellen in Kontakt kommen“ als zwei separat vergleichbare Variablen behandelt werden können. Bei der Nachbehandlung sollten zudem der Vernetzungsgrad sowie die Stabilität nach Waschen und im benetzten Zustand verfolgt werden, um zu vermeiden, dass allein das Vorhandensein von Kollagen in der Lösung als Nachweis für eine stabile funktionelle Oberflächenschicht gewertet wird.2
04Zellen ins Innere gelangen: Mehrskalenfasern, Direktschreiben und entfernbare Komponenten
Mikrometergroße Fasern schaffen Raum, Nanofasern bieten Kontaktflächen
Li et al. verwendeten im Jahr 2016 das nadellose Elektrospritzen mit einer Scheibe, um die nanostrukturierte Beschaffenheit von PCL/-Gelatine mit deren multiskalaren Mikro- und Nanostrukturen zu vergleichen. Die multiskalaren Gerüste wiesen größere Poren auf, und die Kulturergebnisse mit Maus-Fibroblasten sowie Ratten-Mesenchym-Stammzellen zeigten eine bessere Proliferation und ein tieferes Eindringen. Die Studie trennte die Frage, „ob die Fasern einheitlich sind“, von der Frage, „ob die Kulturstruktur geeignet ist“: Nicht für alle Anwendungszwecke müssen vollständig identische Feinfasern angestrebt werden.3
Position der Poren durch Near-Field-Direktschreiben festlegen
He et al. nutzten im Jahr 2018 Near-Field-Elektrospinnen, um Gitter direkt zu schreiben und schichtweise aufzubauen, wodurch ein PCL/-Hydroxylapatit-Gerüst konstruiert wurde, dessen durchschnittliche Porengröße mit etwa 167 Mikrometern angegeben wurde. Präosteoblasten der Maus (MC3T3-E1) konnten sich in der dreidimensionalen Struktur anheften, proliferieren und differenzierungsrelevante Veränderungen zeigen. Dies bietet eine Methode für Kulturgerüste, bei denen eine beschreibbare Porenanordnung erforderlich ist; diese Porengröße ist jedoch kein universeller Standard für alle Zelltypen.4
Einige Fasern entfernen, um Kanäle für das Eindringen ins Innere freizusetzen
Baker et al. sammelten im Jahr 2012 gemeinsam langsam abbaubare PCL-Fasern mit löslichen Polyethylenoxid-Fasern (PEO) und entfernten anschließend PEO. Die Kultivierung von Zellen aus menschlichem Meniskus zeigte, dass die Zugabe entfernbarer Komponenten die Verteilung von Zellen und Matrix im Inneren verbessert, während die verbleibenden ausgerichteten Fasern weiterhin Orientierungshinweise liefern. Die Studie wies zudem darauf hin, dass zelluläre Zugkräfte lockerere Strukturen verformen können; daher wurde bei der Langzeitkultur eine randständige Fixierung angewendet. In-vitro-Ergebnisse mit menschlichen Zellen entsprechen nicht den Implantationsergebnissen bei Patienten.5
05Dreidimensionale Form und Stabilität im benetzten Zustand: Die Probe in den tatsächlichen Kulturprozess einbeziehen
Gao und 2018 platzierten Elektrospinnmembranen in einem 3-D-gedruckten Formkörper und erzeugten mithilfe eines Schaumprozesses ein poröses, geschichtetes Gerüst mit definierter Form, das anschließend in einer In-vitro-Zellbewertung untersucht wurde. Zudem wurden die Zellen mittels Bioprinting an einer definierten Ausgangsposition platziert, um ihre Migration vom Hydrogel in das Gerüst zu beobachten. Dies zeigt eine Kombination aus Elektrospinnen, Formgebung und zellulärer Anordnung, die als Anregung für Kulturdesigns dienen kann, bei denen sowohl die äußere Form als auch die räumliche Verteilung von Bedeutung sind.6
Gu und 2024 konzentrierten sich hingegen auf ein alltägliches Problem: die Schrumpfung von PLGA-Fasergestellen nach dem Einbringen in das Kulturmedium. Sie integrierten PCL und Seidenprotein in PLGA und untersuchten jeweils die Dimensionsstabilität, Benetzung, den In-vitro-Abbau und die Zellproliferation. Die Ergebnisse stützen die Verbesserung der dimensionsstabilen Eigenschaften im benetzten Zustand und der zellulären Reaktion durch Verbundkomponenten. Dies verdeutlicht, dass die Beibehaltung der Probenform selbst Teil der Entwicklung einer Kulturplattform ist.7
Die beiden Studien adressieren unterschiedliche Anforderungen: Erstere konstruiert aktiv eine dreidimensionale Geometrie, während Letztere unbeabsichtigte Verformungen während der Anwendung reduziert. Bei der praktischen Auswahl sollte zunächst festgelegt werden, ob eine freie Verformung, eine Befestigung in einem Kulturrahmen oder eine Verbindung mit anderen Gerüsten erforderlich ist; erst danach sollten Sammel- und Nachbehandlungsmethoden diskutiert werden.6,7
06Was bedeutet „effektiv“ in Zellversuchen konkret?
Vitalitätsfärbung, Stoffwechselassays, Zellzahl, Eindringtiefe und funktionale Marker beantworten nicht dieselbe Frage. Eine Zunahme der Zellzahl kann für Amplifikationsstudien vorteilhaft sein; zielt die Untersuchung jedoch auf die Aufrechterhaltung eines bestimmten Phänotyps ab, müssen zusätzlich morphologische, expressions- oder funktionale Analysen herangezogen werden. Beim Vergleich verschiedener Studien sollten ebenso Zellherkunft, Inokulum, Kulturdauer und Kontrollen berücksichtigt werden, anstatt Materialien allein anhand eines bestimmten Proliferationsprozentsatzes zu ordnen.1,2,3,4,5,6,7
Menschliche Zelllinien oder Zellen aus menschlichem Gewebe können weiterhin für In-vitro-Studien verwendet werden; dies rechtfertigt jedoch nicht die Bezeichnung als klinische Humanstudie. Die in dieser Arbeit zitierten Materialien und Kulturergebnisse helfen hauptsächlich dabei, untersuchbare Strukturen und experimentelle Variablen zu bestimmen. Sie belegen nicht, dass implantierbares Gewebe gebildet wurde, und erst recht nicht, dass eine Organfunktion wiederhergestellt ist.2,5,6
07Von einer experimentellen Membran zu vergleichbaren Kulturproben
Bei der Kommunikation der Herstellungsanforderungen können zunächst der Zelltyp, der Verwendungszweck der Kultivierung und die Probenform angegeben werden: runde Scheiben, die in Kultivierungsvertiefungen eingelegt werden; auf einem Rahmen fixierte, orientierte Membranen; gitterartige Gerüste oder dreidimensionale Strukturen mit einer bestimmten Dicke. Anschließend sind die Faserrichtung, die Dicke oder Flächendichte, die effektiven Poren, die Probenentnahmestelle und die feuchten Abmessungen festzulegen, damit die Geräteeinstellungen auf die messbaren Zielgrößen abgestimmt sind.
Bei zufälligen Membranen liegt der Schwerpunkt üblicherweise auf einer stabilen Flüssigkeitsversorgung und einer gleichmäßigen Sammlung; bei geordneten Anordnungen sind die Sammelmethode und die Richtungskonsistenz zu beachten; beim Near-Field-Direct-Writing sind die Trajektorien und die Schichtüberlagerung zu berücksichtigen; bei oberflächenfunktionalisierten oder geschäumten Strukturen muss die Nachbehandlung ebenfalls in die Chargenaufzeichnung einbezogen werden. Kontrollgruppen sollten möglichst nur die zu untersuchende Schlüsselvariable verändern, um zu vermeiden, dass Formel, Membrandicke und Kultivierungsbedingungen gleichzeitig geändert werden und die Ergebnisse dadurch nicht interpretierbar sind.
Vor dem eigentlichen Zellexperiment sollte überprüft werden, ob die Schritte Reinigung, Rückstandsentfernung, Sterilisation oder Desinfektion, Vornässen und Fixierung das Material verändern. Die Herstellung größerer Flächen erleichtert die stückweise Entnahme von Proben, dennoch müssen die Fasermorphologie und die Zellreaktion an verschiedenen Positionen sowie zwischen verschiedenen Chargen verglichen werden. Die prozesstechnische Reproduzierbarkeit des Geräts und die reproduzierbare Durchführung biologischer Experimente müssen über diese gemeinsame Probenaufzeichnung miteinander verknüpft werden.2,3,4,5,6,7
08Häufige Probleme bei der Entwicklung von Fasermembranen für die Zellkultur
Sind feinere Fasern zwangsläufig besser für die Zellkultur?
Nicht zwangsläufig. Feine Fasern können eine Kontaktoberfläche bieten, doch dichtere Strukturen können den Eintritt von Zellen ins Innere behindern. Studien zu mehrskaligen Fasern und mittels Direct-Writing hergestellten Gittern deuten darauf hin, dass die Struktur entsprechend dem Ziel der Oberflächen- oder dreidimensionalen Kultivierung ausgewählt werden sollte.3,4,5
Müssen Kollagen oder andere Proteine direkt der Spinnlösung zugesetzt werden?
Nicht zwangsläufig. Die Beimischung und die nachträgliche Oberflächenmodifikation stellen zwei unterschiedliche Ansätze dar. Anhand der Behandlungsbedingungen des Proteins, seiner Fähigkeit zur Faserbildung, seiner Oberflächenpräsenz und seiner Stabilität im feuchten Zustand ist zu prüfen, welcher Ansatz für das geplante Experiment besser geeignet ist.1,2
Kann eine gewöhnliche elektrog spunnene Membran direkt als dreidimensionales Kultivierungsgerüst bezeichnet werden?
Es ist zu prüfen, ob die Zellen in die Dickenrichtung eindringen und ob sich im Inneren eine reproduzierbare Verteilung sowie das angestrebte Verhalten ausbilden. Ein dickeres Gerüst oder das Vorhandensein von Poren in mikroskopischen Aufnahmen allein reicht nicht aus, um diese Fragen zu beantworten.3,4,5,6
Literaturverzeichnis
Im Folgenden werden die in dieser Arbeit verwendeten Originalstudien aufgeführt, die von TONGLI eigenständig zusammengefasst wurden. Die Interpretation der Literatur bedeutet nicht, dass die Autoren der Studien, die Forschungseinrichtungen oder TONGLI in einer Beschaffungs- oder Kooperationsbeziehung stehen. Der konkrete Lesereichweite entnehmen Sie bitte die jeweiligen Literaturhinweise.
Bibliografische Angaben bleiben für eine eindeutige Suche in der Originalsprache erhalten.
Wu P, Dai X, Chen K, Li R, Xing Y. Fabrication of regenerated wool keratin/polycaprolactone nanofiber membranes for cell culture. International Journal of Biological Macromolecules. 2018;114:1168–1173.
DOI：10.1016/j.ijbiomac.2018.03.157 ↗Lesumfang: der vollständige lokale Originaltext sowie Abgleich der Zusammenfassung und Bibliografie unter PubMed
Pérez-Nava A, Espino-Saldaña AE, Pereida-Jaramillo E, et al. Surface collagen functionalization of electrospun poly(vinyl alcohol) scaffold for tissue engineering. Process Biochemistry. 2023;126:1–14.
DOI：10.1016/j.procbio.2022.12.022 ↗Lesumfang: der vollständige lokale Originaltext sowie Abgleich der Publikationsdaten der Autoreninstitutionen
Li D, Chen W, Sun B, et al. A comparison of nanoscale and multiscale PCL/gelatin scaffolds prepared by disc-electrospinning. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2016;146:632–641.
DOI：10.1016/j.colsurfb.2016.07.009 ↗Lesumfang: der vollständige lokale Originaltext sowie Abgleich der Zusammenfassung und Bibliografie unter PubMed
He FL, Li DW, He J, et al. A novel layer-structured scaffold with large pore sizes suitable for 3D cell culture prepared by near-field electrospinning. Materials Science and Engineering C. 2018;86:18–27.
DOI：10.1016/j.msec.2017.12.016 ↗Lesumfang: der vollständige lokale Originaltext sowie Abgleich der Zusammenfassung und Bibliografie unter PubMed
Baker BM, Shah RP, Silverstein AM, et al. Sacrificial nanofibrous composites provide instruction without impediment and enable functional tissue formation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2012;109:14176–14181.
DOI：10.1073/pnas.1206962109 ↗Lesumfang: die Zusammenfassung und die Ergebnissektion der Originalarbeit unter PMC; der in dieser Arbeit zitierte Abschnitt zur In-vitro-Kultivierung von Zellen aus Meniskusgewebe
Gao Q, Gu H, Zhao P, et al. Fabrication of electrospun nanofibrous scaffolds with 3D controllable geometric shapes. Materials & Design. 2018;157:159–169.
DOI：10.1016/j.matdes.2018.07.042 ↗Lesumfang: der vollständige lokale Originaltext sowie Abgleich der Zeitschriftenszusammenfassung und Bibliografie
Gu P, Mao Y, Lu W, Chen W. Silk fibroin incorporated electrospun aliphatic polyester nanofiber scaffolds with excellent dimensional stability and cytocompatibility. European Polymer Journal. 2024;211:113039.
DOI：10.1016/j.eurpolymj.2024.113039 ↗Lesumfang: der vollständige lokale Originaltext sowie Abgleich der ursprünglichen Zeitschriftenszusammenfassung und der Schlussfolgerungen
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