Hendryk Aurich

Anwendung modifizierter, magnetisierter Polymerpartikel als Trägermaterial zur Enzymimmobilisierung und zur Zellkultivierung in einem magnetisch stabilisierten Bioreaktor

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 09.12.1998

Abstract
Die Immobilisierung biochemisch aktiver Substanzen an Microcarriern stellt eine besondere Art der chemischen Modifizierung biologischer Systeme dar. Mit einer Magnetisierung dieser Trägermaterialien ergeben sich weitere Vorteile: Sie können besonders leicht und schonend aus dem Reaktionsmedium durch einfaches Anlegen eines äußeren Magnetfeldes entfernt werden, was sowohl die Herstellung, die Immobilisierungsprozedur als auch die Handhabung während des Reaktionsprozesses erleichtert.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiges System zur Immobilisierung von Enzymen und Zellen an magnetischen Polyacrylamidträgern und dessen Nutzung in einem magnetisch stabilisierten Festbettreaktor vorgestellt.
Die Magnetisierung der 100-200 Ám großen Polyacrylamidpartikel gelang durch eine Präzipitation von Fe3O4 im Poreninneren der Trägermatrix. Danach folgten verschiedene Derivatisierungen der Trägeroberfläche, die zu einer Veränderung der Ladung, der Hydrophobizität und der chemischen Struktur führten.
Durch kovalente Bindung von Phosphatidylethanolamin an der Trägeroberfläche und anschließender gemeinsamer Dialyse der modifizierten Partikel mit Phospholipidvesikeln entstand durch hydrophobe Wechselwirkungen an den Polymerträgern eine künstliche membranähnliche Struktur, in die das Membranenzym Cytochrom c-Oxidase stabil und dauerhaft inkorporiert werden konnte.
Die Immobilisierung von Zellen an der Trägeroberfläche wurde am Beispiel von Hepatozyten, Epithel- und Endothelzellen verfolgt. Collagenierte Träger erwiesen sich als die am besten geeignete Trägercharge. Es ergaben sich zudem Korrelationen zwischen Oberflächenladung, Eisenoxidbeladung und Zelladhäsion.
Desweiteren wurde ein neuartiges Reaktorsystem im Labormaßstab vorgestellt, mit dem die Kultivierung von Hepatozyten über einen längeren Zeitraum bei Erhalt leberspezifischer Funktionen möglich war. Die mit Zellen bewachsenen magnetischen Polymerpartikel werden im Reaktorraum an parallel liegenden, durch ein äußeres Magnetfeld magnetisierten Metallstäben fixiert. Die lockere Beladung der Anlage sicherte eine optimale Nährstoffversorgung der Zellen. Dadurch konnten die metabolischen Funktionen der Hepatozyten über 3 Wochen auf hohem Niveau erhalten werden.

The immobilization of biochemically active substances on microcarriers is a special kind of chemical modification of biological systems. The magnetization of these carriers leads to further advantages. It is now possible to remove the particles from the reaction medium by applying an external magnetic field. In this way the production, the immobilization procedure as well as the handling during the reaction process could be facilitated.
The dissertation describes a new system of immobilization of enzymes and cells on magnetic polyacrylamide beads and its use in a magnetically stabilized fixed bed reactor.
A precipitation of Fe3O4 within the porous 100-200 Ám polyacrylamide beads was done in order to magnetize them. Different derivatizations of the surface led to changes in charge, hydrophobization and chemical structure of the beads. By covalent coupling of phospatidylethanolamine onto the surface followed by dialysis of both modified particles and phospholipid vesicles an artificial membrane-like structure on the microcarrier was produced caused by hydrophobic interactions of the lipids. The membrane anchored enzyme cytochrome c-oxidase was shown to be incorporated successfully, stable and permanently into the lipid bilayer.
The immobilization of cells on magnetic microcarriers was carried out with hepatocytes, epithelial and endothelial cells. Collagen-coated beads proved to be the most suitable carrier for cell immobilization. A correlation between surface charge , iron oxide loading and cell adhesion was found. Furthermore, a new laboratory-scale reactor sytem was introduced, in which the specific metabolic functions of the cultivated hepatocytes could be maintained for a longer period. The cell-loaded microcarriers were placed and fixed in the reactor chamber containing parallel arranged steel wires, which became magnetized by an external magnetic field. Optimal cell nutrition was assured by fixing the cell-loaded carriers onto several wire grids in the chamber. A high level of metabolic cell activity could be maintained for 3 weeks.

Keywords:
magnetische Polymerträger, lipidbeschichtete Partikel, Immobilisierung, Zellkultur, magnetisch stabilisierter Festbettreaktor, Hepatozyten, Cytochrom c-Oxidase

magnetic beads, lipid-coated particle, immobilization, cell culture, magnetic fixed bed reactor, hepatocytes, cytochrome c-oxidase

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Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis, Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung (3-11)
2. Materialien und Methoden (12-39)
3. Ergebnisse und Diskussion (40-88)
4. Zusammenfassende Diskussion (89-91)
5. Literatur (92-109)