Mikrosysteme für In-vitro-Zellmodelle

In einem BMBF-geförderten Kooperationsprojekt entwickeln wir einen Kolonkarzinom-Organoid-on-Chip als Alternative zum Tiermodell im Kontext der präklinischen Wirkstoffentwicklung und der personalisierten Onkologie.

Unser Kooperationspartner CELLphenomics nutzt patienten-abgeleitete 3D-Zellkulturen (Organoide), unter anderem von kolorektalen Karzinomen, für individuelle Therapiescreenings im Hochdurchsatzverfahren und leitet daraus aussichtsreiche Therapien ab. In dem Projekt TumOC entwickeln wir gemeinsam ein Organoid-on-Chip-System (TumOC), das a) die physiologische Langzeit-Kultivierung der Organoide, b) die dynamische Behandlungen und c) die Messungen der Zellatmung in Echtzeit ermöglicht. Dadurch sind wir in der Lage, die Wirkungseffizienz von Krebsmedikamenten mittels Echtzeitmessungen der Zellvitalität aufzuklären. Durch die simultanen Messungen der Tumorheterogenität in Kombination mit Repeated-dose-Experimenten mittels einer Kaskade unterschiedlicher Zytostatika erlaubt unser TumOC-System die eindrucksvolle Möglichkeit, die Wirkungsweise individueller Kombinationstherapien zu testen und folglich prätherapeutisch vorherzusagen.

Wir entwickeln in-vitro-Testverfahren für die Beurteilung der Langzeit-Toxizität von Wirkstoffen, um mittelfristig Tierversuche zu ersetzen. Das Aufrechterhalten der Vitalität und der funktionellen Eigenschaften von Zellsystemen über hinreichend lange Zeiten setzt dabei die kontinuierliche Überwachung der Kultivierungsbedingungen voraus. Die Konzentrationen von Glukose, Sauerstoff, sowie der pH-Wert des Zellkulturmediums im Bioreaktor sind hierbei die wichtigsten Parameter. Die kontinuierliche Messung dieser Größen erlaubt nicht nur eine rigorose Qualitätskontrolle, sondern liefert auch die Eingangssignale für einen automatisierten Betrieb des Mikroreaktors. Ein wesentlicher Teil der Aktivitäten der Arbeitsgruppe ist dabei der Entwicklung von Sensortechnologie und deren Integration in die Mikroreaktoren gewidmet. Die Herausforderungen ergeben sich dabei aus der Miniaturisierung und damit einhergehend aus den winzigen zur Verfügung stehenden Probenvolumina sowie den Anforderungen an die Langzeitstabilität.

Hier steht 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 mit hohem Durchsatz und wird durch zwei wichtige Bereiche motiviert: 

1. Patientenspezifische Therapien: Durch den Fortschritt in der Biomedizin ist bereits heute eine individuelle Untersuchung patientenspezifischer Gewebeproben möglich, um geeignete Wirkstoffe zu identifizieren, Nebenwirkungen zu minimieren und die Dosierung für Therapien anzupassen.
2. Toxizitätsmessungen: Für die Bewertung von Pharmaka, Chemikalien und Kosmetika im Hinblick auf ihre Toxizität und Biokompatibilität sowie zur Untersuchung neuer Therapien in der Grundlagenforschung sollen zukünftig Ersatzmethoden für Tierversuche, d. h. in-vitro-Testsysteme, eingesetzt werden. Neben der ethischen Motivation ist der hohe Zeit- und Kostenfaktor von Tiermodellen Triebkraft für die Entwicklung und Etablierung derartiger Zelltests.

Das hier zu entwickelnde Messsystem soll die optische Analyse der Stoffwechselindikatoren Sauerstoff, Glukose und pH-Wert innerhalb des Zellgewebes in Echtzeit ermöglichen.

Zusammen mit dem Fraunhofer IAP entwickeln wir neuartige Reservoire für die Freisetzung von Wirkstoffen und Signalmolekülen in Mikroreaktoren zur Steuerung und Manipulation von Zellkulturen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Um eine gezielte biochemische Steuerung des Zellverhaltens zu bewerkstelligen, werden zentrale Funktionseinheiten, die aus extern ansprechbaren Steuerelementen basierend auf Formgedächtnispolymeren (FGPs) bestehen, in mikrofluidische Umgebungen integriert und mit Echtzeitmessungen der Zellvitalität kombiniert.