Mikrophysiologische Systeme

Im Projekt PremoCell werden komplexe Organmodelle mit einem mikrophysiologischen System und integrierter photonischer Sensorik kombiniert. Die vom Fraunhofer IZI-BB entwickelten hiPSC-abgeleiteten Leberorganoide, einschließlich MASLD/MASH-Krankheitsmodellen, werden in das System eingebettet und unter kontrollierten Bedingungen kultiviert. So können Wirkstoffeffekte in einem dynamischen und humanrelevanten Testumfeld untersucht werden.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt hierfür siliziumnitridbasierte photonische Sensorchips, die ausgewählte Biomarker zeitaufgelöst erfassen können. Ergänzende hochdurchsatzfähige 2D-Lebermodelle des Fraunhofer IBMT erweitern diese Plattform. Die modulare Kombination von Organoidmodellen, mikrophysiologischen Systemen und Echtzeitsensorik ermöglicht die kontinuierliche Beobachtung von Zell- und Gewebereaktionen und unterstützt die präklinische Bewertung von Arzneimittelkandidaten hinsichtlich Wirksamkeit und Toxizität.

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Auf Basis der iPSC-abgeleiteten Zelltypen wird ein mikrophysiologisches System zur Modellierung der menschlichen Blut-Hirn-Schranke entwickelt. In einer mikrofluidischen Organ-on-Chip-Plattform werden Endothelzellen, Perizyten und Astrozyten unter kontrollierten Flussbedingungen zusammengeführt. Dadurch können wesentliche Eigenschaften der Blut-Hirn-Schranke, wie Barriereintegrität, Permeabilität und Wirkstofftransport, realitätsnah untersucht werden. Die Plattform soll eine humanrelevante Grundlage bieten, um Wirkstoffkandidaten frühzeitig hinsichtlich ihrer Passage durch die Blut-Hirn-Schranke und möglicher Effekte auf deren Funktion zu bewerten.

In Kooperation mit dem Fraunhofer IGB wurde ein Testsystem für die Untersuchung kosmetischer Substanzen an Hautmodellen (Skin-on-chip) entwickelt. Über ein mikrophysiologisches System wurden 3D-In-vitro-Vollhautmodelle mit zellbasierter und optischer Analytik verknüpft. Diese Kombination ermöglicht die Erhebung detaillierter Daten über Toxizität sowie Aktivierung sensibilisierender Signalwege von Testsubstanzen.

In Kooperation mit CELLphenomics GmbH haben wir ein Organoid-on-Chip-System (TumOC) entwickelt, das a) physiologische Langzeitkultivierung der Organoide, b) dynamische Behandlungen und c) Messungen der Zellatmung in Echtzeit ermöglicht. Es dient als Alternative zum Tiermodell im Kontext der präklinischen Wirkstoffentwicklung und der personalisierten Onkologie.

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Das in diesem Projekt entstandene Mikrophysiologische System (Liver-on-Chip) zur Beurteilung der Langzeittoxizität von Wirkstoffen soll mittelfristig Tierversuche ersetzen. Die Echtzeitmessung der Konzentrationen von Glukose und Sauerstoff sowie des pH-Werts ermöglicht nicht nur eine Qualitätskontrolle, sondern liefert auch wertvolle zeitaufgelöste Informationen über die metabolische Aktivität der Hepatozyten, wenn sie Wirkstoffkandidaten oder chemischen Substanzen ausgesetzt sind.

Hier stand die Entwicklung von Mikrosensorpartikeln zur Echtzeit-Überwachung des Zustands lebender Zellen, die in künstlichen Umgebungen (in vitro) kultiviert werden, im Fokus. Dieser Ansatz erlaubt eine schnelle und detaillierte Bewertung der Wirkung von Medikamenten oder toxischen Stoffen auf Zellproben in physiologischer Umgebung.