DE60317914T2 - Biomimetisches urothelium - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur in vitro Kultivierung von Säuger-Urothel. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein mit dem beschriebenen Verfahren hergestelltes Material.
  • Überblick über den der Anmelderin bekannten Stand der Technik
  • Bei Säugern sind Harnblase und die zugehörigen Harnwege mit Urothel ausgekleidet, einem hochgradig spezialisierten Epithel, das eine wirkungsvolle Grenzschicht zwischen dem Harn und den darunter liegenden Körpergeweben bildet. Wie es anhand von 1 zu erkennen ist, die eine schematische Schnittansicht durch typisches, funktionelles Urothel zeigt, handelt es sich bei dem Urothel 1 um ein aus Basal – 6, Intermediär - 5 und Superfizialzellen 4 zusammengesetztes stratifiziertes Epithel. Mit Ausnahme von aktiv transportierten Substanzen sollte das Urothel für alle in Harn oder Blut enthaltenen Substanzen undurchdringlich sein. Eine Bewegung durch das Epithel findet auf zwei parallelen Wegen statt: durch die Epithelzellen (transzellulärer Weg) und durch die so genannten Tight Junctions 7 und dem seitlichen Interzellularraum (parazellulärer Weg). Hochgradig spezialisierte Superfizialzellen (Deckzellen, engl. umbrella cells) 4 bilden eine Schnittstelle zwischen Gewebe und Harn und bilden die Permeabilitätsbarriere durch Vorhandensein von: a) interzellulären Tight Junctions und b) Plaques der asymmetrischen Einheitsmembran (AUM, engl. asymmetric unit membrane), die die apikale (d. h. dem Harn zugewandte) Oberfläche abdecken. Die AUM-Plaques sind auf das Urothel beschränkt und sie bestehen aus vier urothelspezifischen Hauptproteinen, die kollektiv als Uroplakine bekannt sind. Diese Proteine wurden bereits isoliert und kloniert. Es gibt zwei Proteine mit vier Transmembrandomänen (kurz: 4TM-Proteine), UPIa und UPIb, sowie auch zwei Typ-1-Proteine, UPII und UPIII. Vor kurzem wurde ein drittes Typ-1-Protein identifiziert. Obwohl die Nomenklatur noch nicht ganz feststeht, werden die Proteine wahrscheinlich als UPII, UPIIIa und UPIIIb bezeichnet werden. (Siehe Deng FM, Liang FX, Tu L, Resing KA, Hu P, Supino M, Hu CC, Zhou G, Ding M, Kreibich G, Sun TT. „Uroplakin IIIb, a urothelial differentiation marker, dimerizes with uroplakin Ib as an early step of urothelial Plaque assembly", J. Cell. Biol., 25. November 2002; 159(4): 685–94.
  • Ein äußerst sensibles Verfahren und gängiges Maß zur Bestimmung der Ionenpermeabilität von Epithel ist der transepitheliale elektrische Widerstand (TER, engl. transepithelial electrical resistance, TER). Im Allgemeinen liegt bei leicht durchlässigen („leaky") Epithelien der Widerstand unter 500 Ω cm2, wohingegen bei dichten („tight") Epithelien der Widerstand über 500 Ω cm2 liegt. Infolge der Schlüsselfunktion von Urothel als Schutz von darunter liegendem Gewebe vor Harn ist sein TER-Wert charakteristisch hoch.
  • Abgesehen von seiner sehr geringen passiven Permeabilität für kleine Moleküle wie Harnstoff, Ammoniak, Wasser und Protonen sowie für große Moleküle wie Dextrans besitzt das Urothel auch ein aktives transepitheliales Innentransportsystem. Von besonderer Bedeutung ist dabei das aktive Natriumtransportsystem. Wie 1 zeigt, befinden sich auf der apikalen (dem Harn zugewandten) Oberfläche 2 des Urothels 1 amiloridempfindliche Natriumkanäle 8. Auf der basolateralen Oberfläche 3 des Urothels 1 befindet sich ein Na+-K+-ATPasen-Antiportsystem 9, das durch die Wirkung von Ouabain gehemmt werden kann. Das Vorhandensein und die korrekte räumliche Position dieser Ionentransportsysteme lassen sich mittels elektro-physiologischer Studien durch Messung der amilorid- und ouabainempfindlichen Potenzialdifferenz über isoliertes Urothel bestimmen.
  • Somit lassen die folgenden Merkmale auf ein funktionelles Urothel schließen:
    • (1) Die stratifizierte Morphologie von Basal-, Intermediär- und „Umbrella"-Zellen,
    • (2) Das Vorhandensein von Uroplakinproteinplaquen auf der apikalen Oberfläche der Membran,
    • (3) Das Vorhandensein von Tight Junctions zwischen den Zellen der Membran,
    • (4) Die räumlich korrekte Position von amiloridempfindlichen Natriumkanälen und die basolaterale Expression von Na+-K+-ATPase,
    • (5) Ein hoher transepithelialer Widerstand
    • (6) Eine geringe passive Permeabilität für andere Spezies mit geringem und hohem Molekulargewicht.
  • Eine aktuelle Übersicht des Kenntnisstands über das Harnblasenepithel (Urothel) findet sich in Lewis (American Journal of Physiology – Renal Physiology, 2000, 278: F867–F874).
  • Die Fähigkeit zur Herstellung von in vitro kultiviertem Urothel brächte aus mehreren Gründen erhebliche Vorteile mit sich. Dadurch ließe sich ein Modell zum Studium sowohl der normalen physiologischen als auch der pathophysiologischen Funktion bereitstellen; es ließe sich ein Modell zum Studium der Wirkung pharmazeutischer Verbindungen bereitstellen, zum Beispiel im Rahmen der Entwicklung neuer Pharmazeutika (bei aktuellen Verfahren werden entweder undifferenzierte oder Tumor-Zellkulturen verwendet, wobei keine von beiden als gutes Modell für natürliches Gewebe betrachtet wird); es ließe sich auch ein Modell für toxikologische Untersuchungen bereitstellen, einschließlich – aber nicht beschränkt auf – die Einschätzung des onkogenen Potenzials von Substanzen; es ließe sich auch ein Material zur Verwendung bei der Wiederherstellungschirurgie bereitstellen.
  • In den frühen 80er Jahren gelang erstmals die in vitro Züchtung undifferenzierter primärer Urothelzellkulturen, und seither wurden zahlreiche Versuche zur Entwicklung eines funktionellen Zellkulturmodells von Säuger-Urothelien unternommen. Trotz einiger Vorstöße wur de bislang jedoch kein System beschrieben, bei dem das in vitro gezüchtete Urothel morphologisch und funktionell wie oben ausgeführt nativem Urothel ähnelt.
  • 1993 wurde ein Kulturverfahren für Urothelgewebe offenbart (K. R. Hutton et al, The Journal of Urology, Band 150, 71–75, August 1993). Dabei wurde Urothel durch Mikrodissektion und unter Verwendung von proteolytischen Enzymen aus klinischen Gewebeproben isoliert. Daraufhin erfolgte eine Weiterbehandlung der abgelösten Urothelschichten mit Kollagenase, um eine Einzelzellsuspension zu erhalten. Die Zellen ließen sich über mindestens 7 Passagen hinweg auf serumfreiem Medium erfolgreich kultivieren. Obwohl sich mit diesem Verfahren konfluente Urothelzellschichten herstellen ließen, war kein Indiz für eine Stratifizierung des Epithels zu erkennen, und tatsächlich wurde bei der Immunmarkierung mit differenzierungsassozierten Antikörpermarkern nachgewiesen, dass – obwohl die kultivierten Zellen einen Basal-/Intermediärzell-Phänotypen exprimierten – kein Indiz für eine terminale Differenzierung vorlag.
  • In einer 1994 veröffentlichten Studie haben Southgate et al. (Laboratory Investigation, Band 71, Nr. 4, Seite 583) die Auswirkung einer Kalziumkonzentrationserhöhung auf die Stratifizierung von in vitro kultivierten menschlichen Urothelzellen beschrieben. Bei dieser Studie wurden insgesamt 62 Patienten im Altersbereich von 3 Monaten bis 23,2 Jahren Gewebeproben aus Nierenbecken, Harnblase und Harnleiter entnommen. Einzelurothelzellkulturen wurden durch Behandlung von Gewebe mit EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure) unter anschließender enzymatischer Digestion erhalten. Bei Erhöhung der extra zellulären Kalziumkonzentration in serumfreiem Wachstumsmedium ließ sich in allen untersuchten Zelllinien eine deutliche Auswirkung auf die Urothelzellmorphologie nachweisen. Eine Erhöhung der Kalziumkonzentration von 0,09 mM auf 2,0 mM induzierte die Stratifizierung der kultivierten Zellen, obwohl – trotz Mehrfachschichtung und nachweislicher Bildung von Tight Junctions – keine AUM in den oberflächlich angeordneten Zellen zu erkennen war, was darauf hindeutete, dass keine späte oder terminale Differenzierung erzielt wurde. Jedoch konnte bei der Studie nachgewiesen werden, dass das Spenderalter keinen bedeutenden Faktor für die erfolgreiche Kultivierung von Urothelzellen darstellt. Ferner wurden bei den Wachstumseigenschaften und dem Phänotyp der kultivierten Urothelien, die aus Gewebeproben aus verschiedenen Bereichen der Harnwege stammten, keine erkennbaren Unterschiede beobachtet.
  • In einer 1997 veröffentlichten Studie kultivierten Liebert und ihre Mitarbeiter (Liebert et al, Differentiation, 1997, 61: 177–185) Urothelzellen auf einem serumfreien Wachstumsmedium und studierten anschließend nach Übertragung auf ein Wachstumsmedium, dem 2% fötales und 8% neugeborenes Kälberserum zugegeben wurde, deren charakteristischen Merkmale. Obwohl bei der Studie anscheinend ein hoher transepithelialer elektrischer Widerstand nachgewiesen wurde (wenn auch durch Verwendung des nicht besonders zuverlässigen Stabelektrodenverfahrens), wurde keine zelluläre Differenzierung unter Verwendung anerkannter urothelspezifischer Marker berichtet.
  • Zum Vergleich der relativen Effektivität des von Liebert et al offenbarten Verfahrens mit der vorliegenden Erfindung wurde folgende Studie durchgeführt: Primäre Kulturen menschlicher Urothelzellen wurden in serumfreiem Medium wie nachstehend beschrieben erzeugt. Eine Probe der Zellen wurde auf Membranfilter ausplattiert und auf ein rinderserumhaltiges Zellkulturmedium übertragen. Dies entspricht im Wesentlichen dem Protokoll von Liebert et al. Eine zweite Probe der Zellen wurde in serumhaltiges Medium gemäß der nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung passagiert, bevor es auf Snapwell-Membranen ausplattiert und wie nachstehend beschrieben – wiederum in serumhaltigem Medium – inkubiert wurde. Nach einer siebentägigen Zellwachstumsperiode wurde der transepitheliale elektrische Widerstand des erzeugten Gewebes unter Verwendung einer modifizierten Ussing-Kammer und eines elektrischen Volt-Ohm-Messgeräts ermittelt. Der TER des im Wesentlichen gemäß dem Protokoll von Liebert et al gezüchteten Gewebes betrug 18,6 Ω cm2. Im Gegensatz dazu hatten replizierte Proben von mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugtem Urothelgewebe einen mittleren TER-Wert von 3023,4 Ω cm2. Somit konnte mit dem ersteren Verfahren nicht der für funktionelles Urothel charakteristische hohe transepitheliale Widerstand erzeugt werden.
  • Im Jahr 2000 beschrieben Sugasi und Mitarbeiter (The Journal of Urology, Band 164, 951–957, September 2000) das in vitro Engineering von menschlichem Urothel. Urothelzellen wurden aus Gewebeproben gewonnen, indem das Urothel vom darunter liegenden Stroma getrennt wurde, die Zellen unter Verwendung von Kollagenase voneinander getrennt wurden und die Zellen in serumfreiem Keratinozytenmedium (KSFM) gezüchtet wurden, dem rekombinanter epidermaler Wachstumsfaktor, Rinderhypophysenextrakt, Choleratoxin und Antibiotika zugegeben war. Bei Erreichen einer 100%igen Konfluenz wurde das serumfreie Medium hinsichtlich der Induzierung einer Stratifizierung bis zu einer Endkonzentration von 1,5 mM mit Kalzium angereichert. Bereits bei Southgate et al, 1994, (oben zitiert) hatte diese Prozedur nachweislich zu einer Stratizierung geführt, es bewirkt jedoch keine Urotheldifferenzierung.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Im breitesten Sinne der Erfindung stellt diese ein Verfahren zur Herstellung von stratifiziertem, differenziertem Säuger-Urothel bereit, bei dem aus dem Säugerkörper isolierte Urothelzellen durch ein die Serumkomponenten enthaltendes Nährmedium passagiert und redispergiert werden, bevor sie zur Bildung des Urothels in ein gleichartiges Medium kommen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Säuger-Urothel um menschliches Urothel.
  • Ebenfalls vorzugsweise handelt es sich bei dem Serum um Rinderserum und noch bevorzugter handelt es sich bei dem Serum um adultes Rinderserum.
  • Vorteilhafterweise liegt die Konzentration der Serumkomponenten als Anteil des Endvolumens des Nährmediums zwischen ca. 1% und ca. 30%, bezogen auf die Konzentration der Komponenten im Gesamtserum. Noch vorteilhafterweise liegt die Konzentration der Serumkomponenten als Anteil des Endvolumens des Nährmediums zwischen ca. 3% und ca. 10%, bezogen auf die Konzentration der Komponenten im Gesamtserum. Im vorteilhaftesten Fall liegt die Konzentration der Serumkomponenten als Anteil des Endvolumens des Nährmediums zwischen ca. 4% und ca. 6%, bezogen auf die Konzentration der Komponenten im Gesamtserum.
  • Bevorzugt handelt es sich bei dem Nährmedium um MCDB 153-Medium oder ein Derivat dieses Mediums. Bevorzugter noch handelt es sich bei dem Nährmedium um serumfreies Keratinozytenmedium (KSFM).
  • Vorteilhafterweise wird dem Nährmedium aus den nachstehend beschriebenen Gründen eine oder mehrere der folgenden Substanzen zugesetzt: epidermaler Wachstumsfaktor (EGF, engl. epidermal growth factor), Rinderhypophysenextrakt (BPE, engl. bovine pituitary extract); Choleratoxin (CT).
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt – wie bereits erwähnt – eine schematische Schnittansicht durch typisches, funktionelles Urothel;
  • 2 zeigt eine Kurve des dosisreaktiven Abfalls des Kurzschlussstroms über Urothel bei Zugabe von Amilorid auf die apikale Oberfläche.
  • Beschreibug der bevorzugten Ausführungsform
  • Es folgt nunmehr eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand einer Beschreibung jeder einzelnen Phase des Verfahrens.
  • Gewebequellen
  • Die Harnwege vom Nierenbecken über den Harnleiter und die Harnblase bis hin zum ersten Teil der Harnröhre sind mit Urothel ausgekleidet. Aus jedem dieser Bereiche lassen sich ohne weiteres Urothelzellkulturen gewinnen und es zeigten sich keine größeren Unterschiede bei Zellkulturen, die aus verschiedenen Harnwegsbereichen oder aus Spendern im Erwachsenen- oder im Kindesalter stammten. Vorzugsweise kann Gewebe für Urothelzellkulturen aus unter örtlicher Betäubung entnommenen Biopsien oder bei Operationen entferntem Gewebe gewonnen werden. Dabei sollte eine Diathermie im Bereich um das zu entnehmende Gewebe herum vermieden werden, da dadurch die Lebensfähigkeit der Zellen beeinträchtigt wird. Alternativ können Urothelzellen auch aus Urinproben gewonnen werden, wobei geeignete Verfahren entweder der Zellidentifizierung, Zellselektion oder Zellsortierung angewandt werden, um sicherzustellen, dass die gewonnenen Zellen tatsächlich aus dem Urothel stammen. Ferner kann Urothelgewebe auch Leichen entnommen werden, wie es von Schmidt und Mitarbeitern (Journal of Urology, 1984, 132: 1262–1264) beschrieben wurde.
  • Mit einem beliebigen von zahlreichen, vom Fachmann auf dem Gebiet anerkannten Verfahren wird das Urothel von jeglichem daran anhängenden Stroma getrennt. Vorzugsweise wird die Urothelprobe zur Entfernung von Serosa, Fett oder anderen Gewebstrümmern zurechtgeschnitten und in eine Stripping-Lösung mit HEPES-Puffer, einem Proteasehemmer wie Aprotinin, EDTA (Ethylendiamintetraessig säure, Dinatriumsalz) und Hanks gepufferter Salzlösung (HBSS, engl. Hank's balanced salt solution) ohne Kalzium und Magnesium übertragen. Eine ausführliche Beschreibung dieser Methodik ist in Southgate J., Master, J. R. W. und Trejdosiewicz, L. K., „Culture of Human Urothelium", erschienen in: Freshney, R. I. und Freshney, M. G., (Verfasser) „Culture of Epithelial Cells", zweite Ausgabe, 2002, John Wylie & Sons, Inc. enthalten.
  • Alternativ können die Urothelzellen auch durch mechanisches Abschaben der Urotheloberfläche der Gewebeproben vom darunter liegenden Stroma getrennt werden.
  • Primäre Urothelzellkultur
  • Wurde das Urothelzellmaterial wie im vorhergehenden Abschnitt beschrieben in Form von Urothelschichten isoliert oder liegt es in Form eines aus Harn isolierten Zellaggregats vor, dann kann unter Anwendung eines beliebigen der im Stand der Technik wohlbekannten Verfahren eine dispergierte Zellkultur erhalten werden. Erforderlichenfalls kann dabei Kollagenase zum Ablösen der Zellen von den darunter liegenden Geweben verwendet werden.
  • Ein geeignetes Medium für die Kultur und Subkultur der Urothelzellen sind unter anderem KSFM (serumfreies Keratinozytenmedium); MEM (minimales essentielles Medium) und andere ähnliche Medien mit geringem Kalziumgehalt, die für die Keratinozytenkultur geeignet sind und vorzugsweise auf MCDB-153 Medium basieren und die fakultativ, aber vorzugsweise bei Southgate et al (Labora tory Investigation, 71(4), 583–594, 1994) beschriebene Zusätze aus folgender Liste enthalten:
    • (i) Epidermaler Wachstumsfaktor (EGF), vorzugsweise menschlicher rekombinanter EGF, in einer Endkonzentration von ca. 0,05 bis ca. 0,5 ng/ml. Urothelzellen exprimieren Gene für EGF-Rezeptoren, und EGF ist nachweislich ein Wachstumsfaktor für Urothelzellen und macht die Zelllinien langlebig.
    • (ii) Rinderhypophysenextrakt (BPE) in einer Konzentration zwischen ca. 10 μg/ml und ca. 50 μg/ml, der für das langfristige Überleben von Urothelzelllinien erforderlich ist.
    • (iii) Choleratoxin (CT), in einer Konzentration zwischen ca. 10 ng/ml bis ca. 75 ng/ml, und vorzugsweise ca. 30 ng/ml, was die Ausplattierungseffizienz der primären Kultur verbessert.
  • Geeignete Antibiotika zur Kontrolle des Wachstums kontaminierender Organismen können ebenfalls zugegeben werden, obwohl eine solche Zugabe das Vorhandensein dieser kontaminierenden Organismen möglicherweise verschleiert, ohne sie zu eliminieren, und daher Antibiotika vorzugsweise nicht vorhanden sein sollten.
  • Die Urothelzellen können dann auf im Wesentlichen herkömmliche Weise gezüchtet und durch serielle Subkultur oder Passage erhalten werden, im meist bevorzugten Fall ehe die Zellen eine 100%ige Konfluenz erreichen. Die auf diese Weise erhaltene primäre und im Wesentlichen undifferenzierte Zellkultur lässt sich über längere Zeitperioden hinweg durch eine derartige sequentielle Subkultur oder Passage erhalten.
  • Induktion von Stratifizierung und terminaler Differenzierung
  • Zur Induktion einer Stratifizierung und Differenzierung der Zellkultur werden Zellen der oben beschriebenen primären Zellkultur gemäß dem Verfahren dieser Erfindung durch ein Differenzierungsmedium passagiert. Das Differenzierungsmedium dieser Erfindung umfasst zusätzlich zu einem Standard-Zellkulturmedium (beispielsweise KSFM, MEM und anderen ähnlichen Medien mit geringem Kalziumgehalt, die zur Keratinozytenkultur geeignet sind und vorzugsweise auf MCDB-153-Medium basieren) die Komponenten von Serum, vorzugsweise Rinderserum, noch bevorzugter fötalem Rinderserum, und meist bevorzugt adultem Rinderserum, in einer Konzentration zwischen ca. 1 Vol.-% und ca. 30 Vol.-%, vorzugsweise ca. 5 Vol.-%, wobei diese Prozentwerte auf dem Gesamtvolumen des Differenzierungsmediums basieren, und auf die Konzentration dieser Serumkomponenten im Gesamtserum bezogen sind. Obwohl dieses Serum im meist bevorzugten Fall als Komponente des Differenzierungsmediums bereits vor Einführung der Urothelzellen in das Differenzierungsmedium enthalten ist, kann es fakultativ auch jederzeit bis zu ca. 5 Stunden nach der Einführung der Urothelzellen in das Medium diesem Medium zugegeben werden.
  • Serum, insbesondere Rinderserum, wird zur Ergänzung eines Standard-Zellkulturmediums wie oben beschrieben verwendet. Obwohl sich sowohl mit fötalem, neugeborenem als auch adultem Rinderserum die erforderliche Differenzierung erzielen lässt, ist adultes Serum zur Induktion einer Differenzierung besonders wirkungsvoll. Dies stellt eine ziemliche Überraschung dar. Angesichts der Lehre, Serum nicht nur in einem Wachstumsmedium zu verwenden, sondern auch Zellen durch ein serumhaltiges Differenzierungsmedium zu passagieren, würde der Fachmann auf dem Gebiet höchstwahrscheinlich fötales Serum verwenden, da man häufig annimmt, dass dieses Entwicklungsfaktoren enthält, die möglicherweise eine Differenzierung unterstützen.
  • Außerdem kann dieses Differenzierungsmedium fakultativ, aber vorzugsweise die bei Southgate et al (Laboratory Investigation, 71(4), 583–594, 1994) beschriebenen Zusätze aus der folgenden Liste enthalten:
    • (i) Epidermaler Wachstumsfaktor (EGF), vorzugsweise menschlicher rekombinanter EGF, in einer Endkonzentration von ca. 0,05 bis ca. 0,5 ng/ml. Urothelzellen exprimieren Gene für EGF-Rezeptoren, und EGF ist nachweislich ein Wachstumsfaktor für Urothelzellen und macht die Zelllinien langlebig.
    • (ii) Rinderhypophysenextrakt (BPE) in einer Konzentration zwischen ca. 10 μg/ml und ca. 50 μg/ml, der für das langfristige Überleben von Urothelzelllinien erforderlich ist.
    • (iii) Choleratoxin (CT), in einer Konzentration zwischen ca. 10 ng/ml bis ca. 75 ng/ml, und vorzugsweise ca. 30 ng/ml, was die Ausplattierungseffizienz der primären Kultur verbessert.
  • Geeignete Antibiotika zur Kontrolle des Wachstums kontaminierender Organismen können ebenfalls zugegeben werden, obwohl eine solche Zugabe möglicherweise das Vorhandensein derartiger kontaminierender Organismen verschleiert, ohne diese zu eliminieren, und deshalb das Nichtvorhandensein von Antibiotika bevorzugt ist.
  • Zur Induktion einer Stratifizierung und Differenzierung durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Zellen aus der oben beschriebenen primären Zellkultur durch ein im Stand der Technik wohlbekanntes Mittel, beispielsweise durch Verwendung von Trypsin und EDTA, disaggregiert. Um ein Beispiel eines geeigneten Protokolls für die Disaggregation zu nennen, wird auf Southgate et al („Culture of Human Urothelium", siehe oben) verwiesen. Die disaggregierten Zellen werden dann in das Differenzierungsmedium übertragen und auf im Wesentlichen herkömmliche Weise inkubiert, bis sie allmählich eine Konfluenz erreichen. Im Anschluss an diese Passagierung durch das serumhaltige Differenzierungsmedium werden die Zellen wiederum auf im Wesentlichen herkömmliche Weise disaggregiert und wieder in frisches serumhaltiges Differenzierungsmedium übertragen. Dieses mit den Urothelzellen geimpfte Medium kann dann in jedweder im Wesentlichen herkömmlichen Zellkultur vorrichtung inkubiert werden, oder alternativ auf jedweder geeigneten Trägervorrichtung ausplattiert werden, beispielsweise Snapwell-Filter aus Polycarbonat. Nach einer Inkubationsdauer zwischen ca. 1 h und ca. 48 h, vorzugsweise ca. 24 h, wird die Kalziumkonzentration im Wachstumsmedium auf zwischen ca. 0,2 mM und ca. 5 mM, vorzugsweise ca. 2 mM, erhöht. Im Laufe der nächsten paar Tage, im typischen Fall nach 7 Tagen, bilden die Zellen dann ein im Wesentlichen funktionelles und terminal differenziertes Urothel. In diesem Stadium lässt sich das Urothel gemäß den nachstehend beschriebenen morphologischen und funktionellen Kriterien charakterisieren.
  • Beispiel: Herstellung und Charakterisierung von menschlichem Urothel gemäß dem Verfahren der Erfindung
  • Herstellung von menschlichem Urothel.
  • In vitro gezüchtete primäre, undifferenzierte Kulturen menschlicher Urothelzellen wurden erzeugt und durch serielle Passage in serumfreiem KSFM-Kulturmedium mit geringem Kalziumgehalt (Gibco BRL, Paisley, UK), wie bei Southgate et al („Culture of Epithelial Cells", wie oben erwähnt) beschrieben vermehrt, unter Verwendung von Spendergewebe aus mehreren menschlichen Quellen. Nach Erzeugung einer ausreichenden Anzahl von Zellen (nach zwei bis vier Passagen) wurden die Zellen geerntet und in KSFM-Medium angesiedelt, dem 5 Vol.-% fötales Rinderserum (FBS) zugegeben worden war. Bei Konfluenz wurden die Urothelzellen geerntet und auf Snapwell-Filtern angesiedelt und in KSFM-Medium mit 5% FBS erhalten. Nach 24 Stunden wurde die Kalziumkonzentration des Mediums von 0,09 mM auf 2 mM erhöht. Der Phänotyp sowie diverse funktionelle Eigenschaften der Urothelzellkulturen wurden sieben Tagen nach dem Ansiedeln auf den Filtern beurteilt. Die Ergebnisse dieser Charakterisierungen sind nachstehend beschrieben.
  • Phänotyp-Charakterisierung.
  • Bei der mikroskopischen Untersuchung des kultivierten Urothels zeigte sich das stratifizierte und terminal differenzierte Wesen des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Urothels. Für einen Fachmann auf dem Gebiet der Säugerhistologie deutlich offenkundige besondere Merkmale waren dabei unter anderem das Vorhandensein stratifizierter Schichten von Basal-, Intermediär- und Deckzellen („Umbrella Cells") sowie das Vorhandensein von Tight Junctions zwischen den Urothelien. Mittels indirekter Immunofluoreszenzanalyse konnte die Bildung interzellulärer Tight Junctions weiterhin nachgewiesen werden, auf die bereits das Vorhandensein des Tight Junction-Proteins Occludin schließen ließ.
  • Transepithelialer elektrischer Widerstand (TER).
  • Der transurotheliale elektrische Widerstand des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten, in vitro gebildeten Urothels wurde mit einer modifizierten Ussing-Kammer und einem elektronischen Volt-Ohm-Messgerät bestimmt. Der TER von in vitro kultiviertem Urothel, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, wurde an Proben gemessen, die zu sieben getrennten Zeitpunkten erzeugt wurden. Der mittlere TER lag dabei bei 3023,4 ± 564,4 Ω cm2. Im Gegensatz dazu zeigte sich bei konfluenten Schichten von Urothelzellen, die ausschließlich auf KSFM-Medium kultiviert wurden, ein TER von 12,7 ± 1,9 Ω cm2.
  • Transurotheliale Permeabilität.
  • Die diffusiven Wasser- und Harnstoff-Permeabilitäten der mit dem Verfahren dieser Erfindung erzeugten Urothelschicht wurden unter Verwendung einer Radioisotopen-Tracertechnik bestimmt. Die mittlere Permeabilität für Harnstoff bzw. Wasser betrug dabei jeweils 10,1 × 10–5 cm/s bzw. 4,5 × 10–4 cm/s. Die gemessenen Permeabilitäten waren statistisch signifikant geringer als diejenigen für eine ausschließlich auf KSFM-Medium kultivierte Urothelschicht, welche jeweils 12,7 × 10-5 cm/s und 5,2 × 10–4 cm/s für Harnstoff bzw. Wasser betrugen.
  • Polarisierte Natriumionenkanal-Verteilung.
  • Zur Bestimmung des Vorhandenseins und der korrekten räumlichen Position von Natriumionenkanälen wurden Kurzschlussstrom und transepitheliale Potenzialdifferenz unter spannungs- bzw. stromabgeklemmten Bedingungen gemessen. War die apikale Oberfläche des Urothelgewebes Amilorid ausgesetzt, dann sanken sowohl die Spannung als auch der Strom auf dosisabhängige Weise. 2 zeigt den dosisabhängigen Abfall des Kurzschlussstroms in Abhängigkeit von der Amiloridkonzentration an der apikalen Oberfläche. War die Basaloberfläche der Urothelmembran Amilorid ausgesetzt, dann wirkte sich dies weder auf die Spannung noch auf den Strom aus. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die amiloridempfindlichen Natriumkanäle auf der apikalen Membran lagen und auf diese beschränkt waren, wie es bei funktionellem Urothel der Fall sein muss. War die apikale Oberfläche des in vitro kultivierten Urothels Ouabain ausgesetzt, dann wirkte sich dies nur geringfügig auf die gemessenen Spannungs- und Stromwerte aus. Im Gegensatz dazu ergab sich, wenn die Basaloberfläche der Membran Ouabain ausgesetzt war, eine deutliche Verringerung sowohl von Spannung als auch Strom, was auf die korrekte basolaterale Position der Na+-K+-ATPase schließen ließ.
  • Expression von AUM Protein.
  • Die Expression der Uroplakin-UPIa, UPIb, UPII und UPIII Gene in dem in vitro kultivierten Urothel gemäß vorliegender Erfindung wurde auf mRNA-Ebene durch Verwendung von Reverser-Transkriptase-PCR mit geeigneten Primern bestätigt.
  • Die obige Charakterisierung der phänotypischen und funktionellen Charakteristiken von mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugtem Urothelgewebe zeigt, dass das derart erzeugte Urothel mehr von den funktionellen Charakteristiken von nativem Urothel hat als es bei einem der im Stand der Technik bekannten Verfahren nachgewiesen wurde. Die Beobachtung, dass Forscher auf dem Gebiet sowohl der Säugerzellkultur als auch insbesondere der Urothelzellkultur schon seit fast 20 Jahren erfolglos versuchen, funktionelles in vitro erzeugtes Urothel herzustellen, ist ein Beweis für die Erfindungshöhe der hier beschriebenen Erfindung.
  • Die derart beschriebene Erfindung soll bei der Herstellung von Sauger-Urothel, einschließlich menschlichem Urothel, Anwendung finden.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung von stratifiziertem, differenziertem Säugetier-Urothelium, dadurch gekennzeichnet, dass urotheliale Zellen, die aus dem Säugetierkörper isoliert wurden, über ein Nährmedium, welches die Serumkomponenten enthält, passagiert und wieder dispergiert wird, bevor sie in ein gleichartiges Medium kommen, um das Urothelium zu bilden.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Säugetier-Urothelium um menschliches Urothelium handelt.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Serum um Rinderserum handelt.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass es sich bei dem Serum um adultes Rinderserum handelt.
  5. Verfahren gemäß jedem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Serumkomponenten als ein Anteil am endgültigen Volumen des Nährmediums zwischen etwa 1% und etwa 30% im Verhältnis zur Konzentration der Komponenten im gesamten Serum beträgt.
  6. Verfahren gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Serumkomponenten als ein Anteil am endgültigen Volumen des Nährmediums zwischen etwa 3% und etwa 10% im Verhältnis zur Konzentration der Komponenten im gesamten Serum beträgt.
  7. Verfahren gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Serumkomponenten als ein Anteil am endgültigen Volumen des Nährmediums zwischen etwa 4% und etwa 6% im Verhältnis zur Konzentration der Komponenten im gesamten Serum beträgt.
  8. Verfahren gemäß jedem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Nährmedium um das MCDB-153-Medium oder um ein Derivat davon handelt.
  9. Verfahren gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Nährmedium um KSFM (Keratinocyte Serum Free Medium – Keratinozytserumfreies Medium) handelt.
  10. Verfahren gemäß jedem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nährmedium durch ein oder mehrere der folgenden Substanzen ergänzt wird: EGF (Epidermal Growth Factor – Epidermaler Wachstumsfaktor), BPE (Bovine Pituitary Extract – Rinderhypophysenextrakt), CT (Cholera Toxin – Choleratoxin).
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