Methods for the measurement of cell and tissue compatibility including tissue regeneration processes Translated title: Methoden zur Ermittlung der Zell- und Gewebekompatibilität einschließlich der Geweberegeneration

Abstract

Biocompatibility is one of the main requirements for the safe use of medical devices. Determination of cytotoxicity is part of the initial evaluation stipulated by ISO standards for the biological evaluation of medical devices. The use of cell cultures to test the biocompatibility of drugs, biomaterials or treatment techniques used in various disciplines is gaining in importance. A wide variety of self-initiated and commercially available cell lines has been evaluated and used: cultured fibroblasts from human skin, buccal mucosa, periodontal membrane, embryonic lung, epithelial and HeLa cells; cultures of human keratinocytes and HaCaT cells; different murine cell lines (C3H-L, Balb/c 3T3, L929 and others) as well as murine cells cultured from liver and spleen; T-lymphocytes from lymph nodes and macrophages obtained by lavage.

All of the above cells are suitable for use in biocompatibility tests. Nevertheless, the general opinion is that toxicity tests in vitro will be more convincing when performed with cells that are homologous with the human tissue concerned. In accordance, appropriate cell lines for use in cytotoxicity and tolerance tests concerning the skin would be human dermal fibroblasts and human epidermal keratinocytes, as they take an active part in the immune response, inflammatory processes, and wound healing.

The evaluation of the in vitro cytotoxicity of a biomaterial is often a qualitative analysis based on the morphological examination of cell damage and growth after direct or indirect contact with the material. Different commercial assays based on the determination of nucleic acids, metabolic activity, protein content or membrane integrity are available to measure cell proliferation and cell viability. A small selection – Pico Green ^® DNA Cell Proliferation Assay, ATPLite™ Luminescence ATP Detection Assay, BC Assay: protein quantitation kit, AlamarBlue™ Proliferation Assay and Live/Dead Staining with SYTO-13 and EthD-2 – are discussed concerning sensitivity, reliability and applicability.

Translated abstract

Biokompatibilität ist eine der Hauptforderungen für den sicheren Einsatz von Medizinprodukten. Die Bestimmung der Zytotoxizität gehört daher auch zu den Evaluierungsprozessen, die in den ISO Standards für die biologische Beurteilung von medizinischen Produkten festgelegt sind. Die Anwendung von Zellkulturen für die Testung auf Biokompatibilität von Pharmazeutika, Biomaterialien oder Behandlungsmethoden gewinnt dafür zunehmend an Bedeutung. Eine Vielzahl von selbst gewonnenen oder kommerziell erhältlichen Zelllinien kommen dabei zum Einsatz: Fibroblasten isoliert aus humaner Haut, der Mundschleimhaut, der Wurzelhaut oder aus embryonalen Lungengewebe; epitheliale Zellen und HeLA-Zellen; Kulturen von humanen Keratinozyten und HaCaT-Zellen; verschiedene murine Zelllinien (C3H-L, Balb/c 3T3, L929 u. a.) sowie Zellen isoliert aus der Milz oder der Leber der Maus und T-Lymphozyten aus Lymphknoten.

Die genannten Zellen sind alle für Biokompatibilitätsuntersuchungen geeignet. Die generelle Meinung ist jedoch, dass in vitro durchgeführte Toxizitätstest überzeugender sind, wenn sie mit Zellen durchgeführt werden, die im Zusammenhang mit dem humanen Gewebe stehen an dem die Applikation des Medizinproduktes erfolgt. Dementsprechend eignen sich am besten humane dermale Fibroblasten und humane epidermale Keratinozyten für die Anwendung in Zytotoxizitäts- und Toleranztests die die Haut betreffen, da sie eine wichtige Rolle bei der Immunantwort, inflammatorischen Prozessen und der Wundheilung spielen.

Die Evaluierung der in vitro-Zytotoxizität von Biomaterialien ist oft eine qualitative Analyse basierend auf der morphologischen Untersuchung von Zellschäden und Zellwachstum nach direktem oder indirektem Kontakt mit dem Material. Verschiedene kommerzielle Testsysteme sind erhältlich, um die Zellproliferation und Zellviabilität zu messen. Sie beruhen auf der Bestimmung von Nukleinsäure, der metabolischen Aktivität, dem Proteingehalt oder der Membranintegrität. Eine kleine Auswahl, wie Pico Green ^® DNA Cell Proliferation Assay, ATPLite™ Luminescence ATP Detection Assay, BC Assay: protein quantitation kit, AlamarBlue™ Proliferation Assay und Lebend/Tot-Färbung mit SYTO-13 und EthD-2, soll hier bezüglich ihrer Sensitivität, Verlässlichkeit und Anwendbarkeit vorgestellt werden.