Entwicklung und Validierung akustischer Kammern für die Herstellung von Zellaggregaten und deren Kultivierung unter kontinuierlicher Anwendung stehender Ultraschallwellen

Hahn, Johannes; Fischer, Horst; Marx, Nikolaus Albert Helmut

doi:HT031559597

Entwicklung und Validierung akustischer Kammern für die Herstellung von Zellaggregaten und deren Kultivierung unter kontinuierlicher Anwendung stehender Ultraschallwellen

Hahn, Johannes^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Johannes Hahn, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Fischer, Horst (Thesis advisor)^RWTH* ; Marx, Nikolaus Albert Helmut (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-06-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06978
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1039129/files/1039129.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Konventionelle Methoden zur Herstellung von 3D-Zellkulturen sind in der Regel zeit- und kostenintensiv, weisen eine geringe Homogenität auf und ermöglichen lediglich einen begrenzten Durchsatz. Die vorliegende Forschungsarbeit untersucht die Nutzung stehender Ultraschallwellen zur gezielten und beschleunigten Zellaggregation und dreidimensionalen Anordnung von Zellen. Zunächst wurde ein akustischer Levitationsaufbau konstruiert und mit humanen mesenchymalen Stammzellen (human mesen-chymal stem cells, hMSCs), MiaPaCa-2-Zellen sowie differenzierende humane induzierte pluripotente Stammzellen (human induced pluripotent stem cells, hiPSCs) im kontinuierlichen Durchflussbetrieb mit Nährmedium getestet. Anschließend wurde ein Aufbau mit zwei orthogonal zueinander ausgerichteten Ultraschallwellen entwickelt, welcher sowohl die Massenproduktion embryonaler Körper (Embryoid Bodies, EBs) als auch die gezielte Aggregation von humanen Nabelschnur-Endothelzellen (human um-bilical cord endothelial cells, HUVECs) erlaubt. Die akustischen Arbeitsfrequenzen beider Systeme wurden mittels Netzwerkanalysator bestimmt. Nach variierender Dauer der Ultraschallexposition wurden die Zellaggregate auf einem Linearschüttler weiterkultiviert und hinsichtlich ihrer Viabilität, Gen-expression, Pluripotenzmarker-Expression sowie Differenzierungsfähigkeit analysiert. Zur Bestimmung der Zellviabilität wurden Lebend/Tot-Färbungen durchgeführt, während die Pluripotenz mittels spezifischer Antikörperfärbungen untersucht wurde. Darüber hinaus erfolgte eine weiterführende Charakterisierung der Zellaggregate durch Durchflusszytometrie, qPCR sowie immunhistologische Färbungen. Die Ergebnisse zeigten, dass eine kontinuierliche Nährmediumzufuhr in der Levitation essenziell für den Erhalt der Zellfunktion ist und dass hMSCs in Medium mit 5 % humanem Plättchenlysat ebenso effizient proliferieren wie in Standardmedium mit 10 % FCS. Im orthogonalen System konnten bis zu30 000 EBs (max. Ø 320 μm) pro Durchlauf erzeugt werden, wobei die Anfangszelldichte signifikant die Endgröße der Aggregate beeinflusste. HUVEC-Aggregate wiesen nach 24 h eine gesteigerte VEGF-Expression auf. Die akustische Aggregation beeinträchtigte weder den pluripotenten Zustand der hiPSCs noch deren Differenzierung in kardiale Zellen, deren Effizienz vergleichbar mit etablierten Protokollen war.

Conventional methods for the production of 3D cell cultures are generally time-consuming and cost-intensive, exhibit low homogeneity and only allow a limited throughput. The present research investigates the use of standing ultrasound waves for targeted and accelerated cell aggregation and three-di-mensional arrangement of cells. First, an acoustic levitation setup was constructed and tested with MSCs, MiaPaCa-2 cells and differentiating hiPSCs in continuous flow mode with culture medium. Subsequently, a setup with two orthogonally aligned ultrasound waves was developed, which allows both the mass production of embryoid bodies (EBs) and the targeted aggregation of HUVECs. The acoustic operating frequencies of both systems were determined using a network analyzer. After varying durations of ultrasound exposure, the cell aggregates were further cultivated on a linear shaker and an-alyzed with regard to their viability, gene expression, pluripotency marker expression and differentiation capacity. Live/dead staining was performed to determine cell viability, while pluripotency was analyzedusing specific antibody staining. In addition, further characterization of the cell aggregates was per-formed by flow cytometry, qPCR and immunohistological staining. The results showed that a continuous supply of culture medium in levitation is essential for maintaining cell function and that hMSC sproliferate just as efficiently in medium with 5 % human platelet lysate as in standard medium with10 % FCS. In the orthogonal system, up to 30,000 EBs (max. Ø 320 μm) could be generated per run,with the initial cell density significantly influencing the final size of the aggregates. HUVEC aggregates showed increased VEGF expression after 24 h. Acoustic aggregation did not affect the pluripotent state of hiPSCs or their differentiation into cardiac cells, whose efficiency was comparable to established protocols.

OpenAccess:
PDF
(additional files)