Aus der Plastikschale in die Matrix: warum Hydrogelen die Zukunft der Zellkultur gehört

Hydrogele

• 30.12.2025
• Redaktion Ad2.0

Hydrogele verändern die Arbeit mit Zellkulturen grundlegend. Die wasserreichen, elastischen und dreidimensionalen Netzwerke kommen der natürlichen Umgebung von Zellen im Gewebe erstaunlich nahe und verbessern somit die Zellkultivierung im Vergleich zur konventionellen Kultivierung auf harten Oberflächen wie Petrischalen. Wirkstoffe, Gewebe und zellbasierte Produkte können so unter realistischeren Bedingungen entwickelt, geprüft und hergestellt werden.

Wie Zellen im Körper wachsen und warum die Petrischale kein Ersatz ist

Zellen leben im Körper rundum eingebettet in Gewebe, in einer weichen, feuchten Umgebung, der extrazellulären Matrix. Das Geflecht aus Proteinen und Zuckern hält die Zellen fest, schützt sie und versorgt sie mit Nährstoffen, Sauerstoff und Signal-Molekülen, über die die Zellen miteinander kommunizieren. Außerdem fungieren Zugkräfte, Druck und chemische Reize als Signale, aus denen die Zelle „liest“, ob sie sich teilt, weiterentwickelt, wandert oder ein Ruhestadium einnimmt.

Ihre Umgebung bestimmt dadurch Form, Stoffwechsel und Verhalten der Zelle. Herzmuskelzellen im Gewebe schlagen im Takt, Nervenzellen bilden feine Netzwerke, Knorpelzellen lagern sich in dichten Verbänden an. Die mechanischen Eigenschaften des Gewebes – weich, elastisch, faserig – bestimmen die jeweiligen Zelltypen. Die Forschung nimmt diesen Zusammenhang seit Jahren genau in den Blick, um korrekte Zellmodelle zu erstellen.

Doch wie gelingt das im Labor? Hier breiten sich adhärent wachsende Zellen in der Regel auf glatten Kunststoffoberflächen von Petrischalen oder Kulturflaschen aus. Die Zelle haftet zwar, doch sie liegt wie auf einer Glasplatte. Die Oberfläche gibt nicht nach, sie bietet keine Poren, keine Fasern, keine räumliche Struktur. Viele Zelllinien ändern unter solchen Bedingungen ihre Form, reagieren anders auf Botenstoffe und zeigen ein anderes Genexpressionsmuster als im Gewebe.

Für einfache Versuche mag die zweidimensionale Zellkultur ausreichen. Wer aber Wirkstoffe realitätsnah untersuchen, krankes Gewebe nachbilden oder zellbasierte Produkte entwickeln will, kommt mit der flachen Plastikoberfläche schnell an Grenzen.

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Hydrogele: wasserreiche Netzwerke als künstliche Gewebe

Daher sind Hydrogele die bessere Alternative. Die dreidimensionalen Netzwerke aus Polymeren können große Mengen Wasser aufnehmen. Zwischen den Maschen dieses Netzwerks entsteht ein feuchter, weicher Raum, in den sich Zellen einlagern. Das Gel wirkt dabei wie ein künstliches Gewebe: Es hält Zellen in Position, doch erlaubt zugleich den Transport von Flüssigkeiten, Nährstoffen, Sauerstoff und Signalmolekülen.

Die Maschengröße eines Hydrogels legt fest, wie weich oder fest es sich anfühlt. So nähert sich ein weiches Gel eher Hirn- oder Fettgewebe an, ein festeres Gel eher Knorpel oder Bindegewebe. Auch lassen sich chemische Moleküle einbauen, an denen Zellen anhaften. Wachstums- und andere Botenstoffe können ebenfalls in Hydrogelen eingebaut werden.

Eingebettet in ein Hydrogel wachsen Zellen auch nicht als dünne Schicht, sondern bilden Verbände und komplexere Strukturen, ähnlich denen im Körper. Das verbessert die Aussagekraft von Labortests, erleichtert die Entwicklung von Gewebeersatz und erweitert die Möglichkeiten der Bioproduktion.

In Branchen wie Pharma, Kosmetik, Lebensmitteltechnologie und Medizintechnik liefern Experimente in dreidimensionalen Zellkulturen differenziertere Erkenntnisse als herkömmliche Monolayer-Kulturen. Hersteller kosmetischer Produkte beispielsweise können ohne Tierversuche aussagekräftige Tests durchführen; Lebensmittel- und Medizintechnikunternehmen erzeugen mittels Zellkultur in Hydrogelen Proteine, Enzyme und andere zellbasierte Produkte.

"The Future is Cell-Based"

Unter diesem Firmenmotto entwickelt die CellTec Systems GmbH aus Lübeck Lösungen für anspruchsvolle Zellkulturen entlang der gesamten Prozesskette, von Primärzellen über dreidimensionale Gel-Systeme bis hin zu Bioreaktoren für die Zellvermehrung. Ziel ist es, jede zellbasierte Produktion von der Forschungs- und Pilotphase hin zum industriellen Maßstab zu begleiten.

Das Hydrogelsystem von CellTec besteht nicht aus herkömmlichen synthetischen Polymeren, sondern aus natürlichen, nachwachsenden Rohstoffen. Diese Entscheidung verdankt sich nicht allein Nachhaltigkeitserwägungen, sondern ist auch zweckmäßig: Die Hydrogele besitzen eine höhere Biokompatibilität, auch empfindliche Zellen gedeihen gut in dieser Umgebung.

CellTec kann Faktoren wie Festigkeit oder Porenstruktur dem jeweiligen Zelltyp und der wissenschaftlichen Fragestellung anpassen: Für eine Stammzellkultur benötigt man andere Matrix-Eigenschaften als für Knorpelzellen, für toxikologische Tests eine andere als für die Produktion therapeutischer Proteine. CellTec bietet daher neben Standardgelen auch maßgeschneiderte Lösungen an. In Machbarkeitsstudien untersucht das Unternehmen gemeinsam mit Auftraggebern, welche Gele die gewünschten Resultate liefern.

Besonders vorteilhaft: Die Hydrogele lassen sich nach Abschluss der Kultur, ohne die Zellen zu schädigen oder zu verändern, einfach auflösen. Dadurch stehen die Zellen dann für Analyse, Sequenzierung oder die weitere Produktion zur Verfügung.

CellTec betreibt außerdem eine Zelldatenbank und stellt Primärzellen aus verschiedenen Geweben bereit, die in Bioreaktoren vermehrt werden. Das Unternehmen kann daher für spezifische Zellen die passende dreidimensionale Matrix ebenso gewährleisten wie die Skalierbarkeit im industriellen Maßstab.

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  Warum sind Hydrogele in der Zellkultur von Vorteil?

  Hydrogele sind wasserreiche, dreidimensionale Strukturen, die der natürlichen Umgebung von Zellen sehr nahe kommen. Sie ermöglichen realistischere Bedingungen für die Entwicklung, Prüfung und Herstellung von zellbasierten Produkten, im Gegensatz zu flachen Plastikoberflächen.

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  Welche Unterschiede bestehen zwischen zweidimensionalen und dreidimensionalen Zellkulturen?

  Zweidimensionale Zellkulturen auf festen Plastikoberflächen bieten keine räumliche Struktur und führen oft zu verändertem Zellverhalten. Dreidimensionale Kulturen mit Hydrogelen ermöglichen realistischere Zellwachstumsbedingungen, was zu präziseren Forschungsergebnissen führt.

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  Wie beeinflusst die Struktur von Hydrogelen das Zellwachstum?

  Die Dichte und Vernetzung eines Hydrogels bestimmen dessen Weichheit oder Festigkeit, was es ermöglicht, die Umgebung an spezifische Zelltypen anzupassen, etwa weiches Gel für Hirngewebe oder festeres Gel für Knorpel.

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  Welche Vorteile bieten Hydrogele für die Bioproduktion?

  Hydrogele ermöglichen die Bildung komplexer Zellstrukturen, die der natürlichen Umgebung näherkommen, und verbessern dadurch die Aussagekraft von Labortests. Dies erleichtert die Entwicklung von Gewebeersatz und ermöglicht differenzierte In-Vitro-Tests, ohne Tierversuche.

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  Was sind die besonderen Merkmale der Hydrogele von CellTec Systems GmbH?

  Die Hydrogele von CellTec bestehen aus natürlichen, nachwachsenden Rohstoffen, bieten hohe Biokompatibilität und lassen sich nach der Kultur auflösen. Sie können entsprechend der Zelltypen und Forschungsfragen angepasst werden.