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During the past 15 years there have been dramatic changes in the medical landscape, particularly in oncology and regenerative medicine. Cell therapies have played a substantial part in this progress. Cellular immunotherapies can use immune cells, such as T cells or natural killer cells that, after functional modification ex vivo, exert powerful anti-cancer effects when given to the patient. Innovative technologies, such as re-programming terminally differentiated cells into pluripotent stem cells or into other cell types and applying specific enzymes to more precisely edit the human genome, are paving the way towards more potent cell and gene therapies.
Mesenchymal stromal cells are promising cellular immunotherapeutics, which also have potential for use in tissue engineering strategies and other regenerative medicine applications. However, substantial gaps in our knowledge of their biology and therapeutic efficacy present major challenges to their sustainable implementation in the clinical routine.
In this article, progress in the field of cell therapeutics during the past 15 years will be briefly discussed, with a focus on mesenchymal stromal cells, highlighting the impact of this field on patient care.
Biological drug substance (DS) is typically stored frozen to increase stability. However, freezing and thawing (F/T) of DS can impact product quality and therefore F/T processes need to be controlled. Because active F/T systems for DS bottles are lacking, freezing is often performed uncontrolled in conventional freezers, and thawing at ambient temperature or using water baths.
In this study, we evaluated a novel device for F/T of DS in bottles, which can be operated in conventional freezers, generating a directed air stream around bottles. We characterized the F/T geometry and process performance in comparison to passive F/T using temperature mapping and analysis of concentration gradients. The device was able to better control the F/T process by inducing directional bottom-up F/T. As a result, it reduced cryo-concentration during freezing as well as ice mound formation. However, freezing with the device was dependent on freezer performance, i.e. prolonged process times in a highly loaded freezer were accompanied by increased cryo-concentrations. Thawing was faster compared to without the device, but had no impact on concentration gradients and was slower compared to thawing in a water bath.
High-performance freezers might be required to fully exploit the potential of directional freezing with this device and allow F/T process harmonization and scaling across sites.
Entwicklung eines bioartifiziellen Nierentubuluskonstruktes auf Basis humaner Nierenepithelzellen
(2009)
Bei einem chronischen oder akuten Ausfall der Niere stehen im klinischen Alltag extrakorporale Nierenersatzverfahren, wie die Hämodialyse, Hämofiltration und Hämodiafiltration zur Verfügung. Die genannten medizinischen Verfahren bilden nur die physikalischen Prinzipien des Glomerulus ab und können die, über eine reine Stofftrennung hinausgehenden, im Besonderen die komplexen, physiologischen Funktionen des renalen Tubulussystems nicht nachbilden. Die mit dem Ausfall der Nierenfunktion verbundenen metabolischen und endokrinen Störungen werden somit nicht ausreichend korrigiert und sind Ursache der hohen Morbidität und Mortalität dieser Patientengruppe durch kardio-vaskuläre sowie inflammatorische Komplikationen. Mit der Anwendung des Tissue Engineerings, der Integration von Zellen bzw. Geweben und deren biologischer Funktionen in form- und funktionsgebende Substrate stünden für diese Problematik Methoden zur Verfügung, die fehlenden biologischen Funktionen der Tubulusepithelien der Niere in die bereits vorhandenen, modernen Nierenersatztherapien zu integrieren und den Patienten zur Verfügung zu stellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Membranmaterialien, Kulturbedingungen wie Sauerstoffbedarf, Medienformulierungen und Strömungszustände identifiziert, Systeme und Methoden entwickelt, die es ermöglichen, ein BTK mit primären, humanen Tubuluszellen zu bilden und über mikroskopische Methoden den Differenzierungsstatus der Zellen innerhalb der Membrankapillaren zu erfassen. Der Sauerstoffbedarf distaler und proximaler Tubulusepithelzellen wurde unter verschiedenen Bedingungen ermittelt und führte zusammen mit einem Literaturvergleich sowie theoretischen Betrachtungen der maximalen Scherkräfte zur Auslegung der in vitro Perfusionsparameter des entwickelten Kultursystems. Es konnte ein klinisch etabliertes Membranmaterial identifiziert werden, welches den primären Zellen ohne vorherige Bioaktivierung als ein optimales Substrat dient und somit spätere Zulassungsverfahren für den klinischen Einsatz vereinfacht. Die Entwicklung eines serumarmen Mediums für die Kultur der primären Zellen stellte sich als wichtigster Schritt in der Übertragung der zuvor mit permanenten Zelllinien entwickelten Systeme und Methoden heraus. Mittels mikroskopischer Methoden (REM & CLSM) konnte die Differenzierung der verwendeten Tubulusepithelzellen innerhalb der Hohlfasermodule anhand spezifischer Marker nachgewiesen und somit der Erfolg der in dieser Arbeit entwickelten Systeme und Methoden dokumentiert werden. Trotz des Nachweises der prinzipiellen Machbarkeit im Labormaßstab, stellt die verwendete Zellquelle aufgrund der geringen Verfügbarkeit im Upscaling Prozess vom Labor hin zu einem klinischen Therapieverfahren, die größte Hürde dar. Aktuelle Entwicklungen bei der Identifizierung adulter Stammzellfraktionen der Niere, im Besonderen der Beitrag CD133+ Zellen bei der Tubulusregeneration wurden in dieser Arbeit aufgegriffen. Die Ergebnisse des durchgeführten CD133 Screenings der verwendeten Zellfraktionen zeigen, dass gerade die hochaufgereinigten, proximalen und distalen Fraktionen einen verminderten Anteil dieser potentiellen Stammzellfraktion enthalten. Weniger aufgereinigte Fraktionen könnten somit eine Alternative bei der zukünftigen Entwicklung von bioartifiziellen Tubuluskonstrukten darstellen.
Natural products have been proven to be important starting points for the development of new drugs. Bacteria in the genera Photorhabdus and Xenorhabdus produce antimicrobial compounds as secondary metabolites to compete with other organisms. Our study is the first comprehensive study screening the anti-protozoal activity of supernatants containing secondary metabolites produced by 5 Photorhabdus and 22 Xenorhabdus species against human parasitic protozoa, Acanthamoeba castellanii, Entamoeba histolytica, Trichomonas vaginalis, Leishmania tropica and Trypanosoma cruzi, and the identification of novel bioactive antiprotozoal compounds using the easyPACId approach (easy Promoter Activated Compound Identification) method. Though not in all species, both bacterial genera produce antiprotozoal compounds effective on human pathogenic protozoa. The promoter exchange mutants revealed that antiprotozoal bioactive compounds produced by Xenorhabdus bacteria were fabclavines, xenocoumacins, xenorhabdins and PAX peptides. Among the bacteria assessed, only P. namnaoensis appears to have acquired amoebicidal property which is effective on E. histolytica trophozoites. These discovered antiprotozoal compounds might serve as starting points for the development of alternative and novel pharmaceutical agents against human parasitic protozoa in the future.
In bioengineering, scaffold proteins have been increasingly used to recruit molecules to parts of a cell, or to enhance the efficacy of biosynthetic or signalling pathways. For example, scaffolds can be used to make weak or non-immunogenic small molecules immunogenic by attaching them to the scaffold, in this role called carrier. Here, we present the dodecin from Mycobacterium tuberculosis (mtDod) as a new scaffold protein. MtDod is a homododecameric complex of spherical shape, high stability and robust assembly, which allows the attachment of cargo at its surface. We show that mtDod, either directly loaded with cargo or equipped with domains for non-covalent and covalent loading of cargo, can be produced recombinantly in high quantity and quality in Escherichia coli. Fusions of mtDod with proteins of up to four times the size of mtDod, e.g. with monomeric superfolder green fluorescent protein creating a 437 kDa large dodecamer, were successfully purified, showing mtDod’s ability to function as recruitment hub. Further, mtDod equipped with SYNZIP and SpyCatcher domains for post-translational recruitment of cargo was prepared of which the mtDod/SpyCatcher system proved to be particularly useful. In a case study, we finally show that mtDod-peptide fusions allow producing antibodies against human heat shock proteins and the C-terminus of heat shock cognate 70 interacting protein (CHIP).