Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie, Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse IZI-BB
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Mikrophysiologische Systeme

Anpassungsfähig und echtzeitüberwacht –
Organ-on-Chip für personalisierte Wirkstoffentwicklung

Wir entwickeln mikrophysiologische Systeme, wie z. B. Organ-on-Chip, die flexibel und dadurch individualisierbar sind – eine nachhaltige Alternative zu Tierversuchen. Mit integrierter Echtzeitüberwachung analysieren wir präzise die Zellvitalität, sowie die metabolische Aktivität verschiedener Zellmodelle, darunter Zellgewebe, Sphäroide und Organoide.

Unsere Systeme ermöglichen dynamische, stabile Kurz- und Langzeituntersuchungen, um die Wirksamkeit und Sicherheit von Medikamenten, Kosmetika und Chemikalien (REACH) zu bewerten. Im Vergleich zu herkömmlichen Endpunktmessungen bieten wir einen direkten Zugang zur Analyse von Wirkmechanismen, was das Therapiescreening und die Entwicklung von Kombinationstherapien optimiert.

Mit unseren individualisierbaren Mikrophysiologischen Systemen gestalten wir die Zukunft der präklinischen Wirkstoffentwicklung und der personalisierten Onkologie.

Charakteristika und Nutzungspotentiale der Technologie

  • Erhöhte zeitliche Informationsdichte durch Echtzeitüberwachung
    • Präzise Analyse dynamischer biologischer Prozesse
    • Korrelation der zellulären Reaktion auf Wirkstoffe für Einblicke in Wirkmechanismen
  • Erzeugung physiologischer Profile für Wirkstoffkonzentrationen und Dosiswiederholungen
  • Flexible Anpassung an verschiedene Zellmodelle (z. B. Leber, Tumor, Haut)
  • Langzeitkultivierung bis zu 30 Tagen
  • Aussagekräftige In-vitro-Modelle zur Reduktion von Tierversuchen in der Wirkstoffentwicklung

Wir setzen unsere Kompetenzen für Ihre Forschungsziele ein.

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Unser Beitrag zu Ihrem Projekt

  • Design und Herstellung mikrophysiologischer Systeme im Hinblick auf zellspezifische Anforderungen
  • Auftragsmessungen zur Bewertung der Wirksamkeit und Sicherheit von Wirkstoffen
  • Sensorintegration in mikrofluidische Systeme

 

 

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Präzisere Screenings zur Beschleunigung Ihrer Wirkstoffentwicklung

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SkinMonitor: Mikrofluidische Systemplattform

auf Basis von Vollhautmodellen für sensorüberwachte Echtzeitanalysen

Mikrofluidisches Lab-on-Chip-System zur sensorbasierten Untersuchung von Hautzellmodellen (Skin-on-Chip)

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.

TumOC: Kolonkarzinom-Organoid-on-Chip

zur Aufklärung der Wirkungseffizienz von Krebsmedikamenten mittels Echtzeitmessungen der Zellvitalität

Mikrosysteme für in-vitro-Zellmodelle | TumOC_Chip und Organiode
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Kolonkarzinom-Organoid-on-Chip

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.

Zum Projekt

HepatoTox: Mikrofluidische Bioreaktoren

für in-vitro-Toxizitätsmessungen (Liver-on-a-Chip)

Mikrofluidische Bioreaktoren für in-vitro-Toxizitätsmessungen (Liver-on-a-Chip)
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Mikrofluidische Bioreaktoren für in-vitro-Toxizitätsmessungen (Liver-on-a-Chip)

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.

ParOptiSens: Entwicklung partikelbasierter optischer Sensoren

für die Echtzeitanalyse von Stoffwechselvorgängen für In-vitro-Testsysteme

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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.

  • Design und Entwicklung von mikrophysiologischen Systemen für die Langzeitkultivierung anspruchsvoller Zellmodelle
  • Integration von Mikrosensoren in mikrofluidische Systeme zur Echtzeit-Überwachung von Kenngrößen in unmittelbarer Zellnähe und Zellmedien (z.B. Sauerstoff, pH, Glukose, Laktat)
  • Entwicklung von In-vitro-Testsystemen zur Bewertung der Toxizität von Chemikalien, pharmazeutischen Wirkstoffen und Bestandteilen von Kosmetika
  • Analyse von Zellen mittels vollautomatischer Fluoreszenzmikroskopie (CellSens + ScanR, Olympus)
  • Zellcharakterisierung: Zellfärbetechniken (z.B. Immunfluoreszenz), Transfektion mit fluoreszierenden Fusionsproteinen, Lebendfärbung, Proliferationstests
  • Datenanalyse mit Deep-Learning-Technologie (ScanR + KI, Olympus) beispielsweise zur Charakterisierung und Quantifizierung von Zellpopulationen und markierter Zellstrukturen oder Proteine

Geräte

  • Vollautomatisierte Setups bestehend aus Fluoreszenzmikroskopen (Olympus, CellSense), Sauerstoffmesssystemen (Opal, Colibri) und Fluidiksteuerung (Ventile, Pumpen)
  • Konfokales Laser Scanning-Mikroskop (Zeiss LSM 980 mit NLO-Laser), Inkubationskammer, Mehrphotonen-Anregung, Fluoreszenz/Phosphoreszenz-Lebensdauern und Korrelationen mittels Lifetime-Imaging (FLIM/PLIM) und Fluoreszenkorrelationsspektroskopie (FCS)
  • Vollautomatisierte Fluoreszenzmikroskope für Zeitrafferaufnahmen lebender Zellen unter physiologischen Bedingungen (Time-Lapse-Mikroskopie mit Inkubationskammern) (CellSens; ScanR mit KI)
  • TIRF-Mikroskopie (Olympus)
  • Laser Tweezer / optische Pinzette mit Laser-Mikrodissektion (Palm / Zeiss)
  • Variable Mikrofluidik-Setups

  • Gehre C, Flechner M, Kammerer S, Küpper J-H, Coleman C D, Püschel G P, Uhlig K, Duschl C. Real time monitoring of oxygen uptake of hepatocytes in a microreactor using optical microsensors. Sci Rep (2020) 10, 13700.
  • Bavli D, Prill P, Ezra E, Levy G, Cohen M, Vinken M, Vanfleteren J, Jaeger MS, Nahmias Y. Real-time monitoring of metabolic function in liver-on-chip microdevices tracks the dynamics of mitochondrial dysfunction. PNAS (2016) 113, S. E2231-E2240.
  • Prill S, Bavli D, Jaeger MS, Schmälzlin E, Levy G, Schwarz M, Duschl C, Ezra E, Nahmias Y. A Real-Time Monitoring of Oxygen Uptake in Hepatic Microwell Bioreactor Reveals CYP450-Independent Direct Mitochondrial Toxicity of Acetaminophen multilayers. Archives of Toxicology, 90 (2016) 1181-1191. DOI dx.doi.org/10.1007/s00204-015-1537-2
  • Prokopovic VZ, Vikulina AS, Sustr D, Duschl C, Volodkin D. Towards an artificial extracellular matrix: Biopolymer based multilayers coated with gold nanoparticles. Assessment of biodegradation, molecular transport, and protein mobility. ACS Applied Materials and Interfaces 8 (2016) S. 24345-24349.
  • Prill S, Jaeger, MS, Duschl C. Long-term microfluidic glucose and lactate monitoring in hepatic cell culture. Biomicrofluidics. (2014) 8, 034102.
  • Renner A, Jaeger MS, Lankenau A, Duschl C. Position-dependent chemotactic response of slowly migrating cells in sigmoidal concentration profiles. Appl Phys A. (2013), 112(3), 637-645.
  • Madaboosi N, Uhlig K, Schmidt S, Jaeger MS, Möhwald H, Duschl C, Volodkin D. Microfluidics meets soft layer-by-layer films: selective cell growth in 3D polymer architectures. Lab Chip. (2012), 12, S. 1434-1436.
  • Felten M, Staroske W, Jaeger MS, Schwille P, Duschl C. Accumulation and filtering of nanoparticles in microchannels using electrohydrodynamically induced vortical flows. Electrophoresis. (2008), 29, 2987-2996.
  • Jaeger MS, Uhlig K, Clausen-Schaumann H, Duschl C. The structure and functionality of contractile forisome protein aggregates. Biomaterials. (2008), 29, 247–256.
  • Uhlig K, Jaeger MS, Lisdat F, Duschl C. A biohybrid microfluidic valve based on forisome protein complexes. J MEMS. (2008), 17(6), 1322-1328
  • Felten M, Geggier P, Jaeger M, Duschl C. Controlling electrohydrodynamic pumping in microchannels through defined temperature fields. Phys Fluids. (2006), 18, 051707.
  • Gast FU, Dittrich PS, Schwille P, Weigel M, Mertig M, Opitz J, Queitsch U, Diez S, Lincoln B, Wottawah F, Schinkinger S, Guck J, Käs J, Smolinski J, Salchert K, Werner C, Duschl C, Jäger M, Uhlig K, Geggier P, Howitz S. The microscopy cell (MicCell), a versatile modular flowthrough system for cell biology, biomaterial research, and nanotechnology. Microfluid Nanofluid. (2006), 2, 21–36.

Patente

  • Jaeger M, Prill S, Nahmias Y, Bavli D. Method and system for continous monitoring of toxicity. EP15160661.3 / US 2015/0268224 A1

  • Mimi-Q GmbH, Potsdam
  • Surflay Nanotec GmbH, Berlin
  • Colibri Photonics GmbH, Potsdam
  • GeSiM mbH, Großerkmannsdorf
  • University of Jerusalem, Israel
  • Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
  • Universität Potsdam
  • CELLphenomics GmbH, Berlin