Mikrosysteme für in-vitro-Zellmodelle

In-vitro-Zellmodelle werden als Krankheitsmodelle, für Wirkstoffscreening und Toxizitätstests sowie bei grundlegenden Untersuchungen zur Entwicklung und Organisation diverser Gewebearten eingesetzt. Basierend auf unserer Expertise in den Bereichen Zellbiologie, Materialwissenschaften und Beschichtungen, sowie Mikrosensorik und Mikrofluidik (Design, Fertigung und Integration) entwickeln wir Mikroreaktoren für Kurz- und Langzeituntersuchungen an Zellaggregaten. Diese Reaktoren ermöglichen Zellkultur unter kontrollierten physiologischen Bedingungen. Die Integration von Mikrosensoren in diese Systeme ermöglicht es erstmals in Echtzeit Zellvitalität oder Stoffwechselprodukte bis zu einem Monat kontinuierlich zu vermessen. Im Vergleich zu konventionellen Endpunktmessungen bietet dieser Ansatz einen sehr viel direkteren Zugriff auf das Verständnis von Wirkstoffmechanismen. Neben Konzepterstellung und Entwicklung von Mikrobioreaktoren bieten wir die Durchführung von in-vitro-Untersuchungen zur Bewertung der Lebertoxizität von chemischen Stoffen an.

Mikrofluidischer Bioreaktor für Hepatozythen

Bioreaktor
© Fraunhofer IZI-BB

Mikrobioreaktor für Leberzellen zur Bewertung der Toxizität von Chemikalien, wie z.B. Wirkstoffen. In dem Reaktor kann die metabolische Aktivität der Zellen über mehrere Wochen in Echtzeit vermessen werden. Dazu sind sauerstoffsensitive Mikropartikel (oben links) zusammen mit Leberzellen in kleinen Kavitäten (oben rechts) deponiert. Die Partikel können einfach optisch ausgelesen werden. Der Graph (links unten) zeigt deutlich zwei durch ihre Kinetik unterscheidbare Wirkmechanismen des Schmerzmittels Acetaminophen (Paracetamol).

Bioreaktor
© Fraunhofer IZI-BB

Das Schema stellt die vollautomatisierte Probenentnahme aus einem Mikrobioreaktor (in rot) zur regelmäßigen Bestimmung der Glukose- und Laktatkonzentrationen dar. Mit diesen Informationen lässt sich die metabolische Aktivität von Leberzellen evaluieren. Dies legt eine wichtige Grundlage für die Entwicklung von In-vitro-Assays zur Evaluierung der Toxizität von Wirkstoffen.

Das Institut entwickelt in-vitro-Testverfahren für die Beurteilung der Langzeit-Toxizität von Wirkstoffen, um mittelfristig Tierversuche zu ersetzen. Die Aufrechterhaltung der Vitalität von Zellkulturen über hinreichend lange Zeiten setzt dabei die kontinuierliche Überwachung der Kultivierungsbedingungen voraus. Die Konzentrationen von Glukose, Sauerstoff, sowie wie 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.

  • Entwicklung und Herstellung funktionaler Beschichtungen für Anwendungen im Bereich Zellkultivierung und Tissue Engineering: Beschichtungen aus thermoresponsiven Polymeren zur Kontrolle der Zelladhäsion auf Zellkultursubstraten, Polyelektrolytschichten (Layer-by-Layer-(LbL)-Auftragung) als Reservoire für Biomoleküle zur Steuerung von adhärenten Zellen, Schichten (Self assembled monolayers (SAM)) aus Polymeren und Biomolekülen zur Verbesserung der Biokompatibilität synthetischer Oberflächen
  • Design und Entwicklung von Mikrobioreaktoren für die Langzeitkultivierung anspruchsvoller Zellmodelle
  • Integration von Mikrosensoren in mikrofluidische Systeme zur Echtzeit-Erfassung von Kenngrößen von Zellmedien (z.B. Sauerstoff, pH, Glukose, Laktat)
  • Entwicklung von In-vitro-Testsystemen zur Bewertung der Toxizität von Chemikalien, pharmazeutischen Wirkstoffen und Bestandteilen von Kosmetika
  • Einlagerung und Kultivierung von eukaryotischen Zellen auf S1-Ebene (Säugertierzellen, Insektenzellen, Primärzellen, Zelllinien)

Geräte

  • Durchlicht- und Auflichtmikroskopie mit Hellfeld-, Phasenkontrast-, Fluoreszenz-, Polarisations- und Totalreflexionseinrichtung (TIRFM), höchstauflösende optische Mikroskopie (SIM), jeweils mit rechnergesteuerten und temperierbaren Objekttischen und Zellkulturkammern ausgerüstet
  • Konfokales Raster-Laser-Mikroskop mit 3D-Bildverarbeitung
  • Vollautomatisierte Fluoreszenzmikroskope für Aufnahmen lebender Zellen unter physiologischen Bedingungen (Time-Lapse-Mikroskopie) (Olympus CellR)
  • TIRF-Mikroskopie (Olympus)
  • Laser Tweezer / optische Pinzette mit Laser-Mikrodissektion (Palm / Zeiss)
  • Variables Mikrofluidik-Setup
  • Microcontact Printer (GeSiM)
  • Kontaktwinkelmessgerät
  • Durchflusszytometer (Becton D.)
  • Mikromanipulation, Mikroinjektion, Mikrodissektion (Eppendorf)
  • Zellcharakterisierung: Zellfärbetechniken (z.B. Immunfluoreszenz), Transfektion mit fluoreszierenden Fusionsproteinen, Lebendfärbung, Proliferationstests

  • 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

  • GeSiM mbH, Großerkmannsdorf
  • Mikrofluidik ChipShop, Jena
  • BST Bio Sensor Technology GmbH
  • University of Jerusalem, Israel
  • Ecole Polytechnique Federal Suisse, Lausanne, Schweiz
  • Centre Suisse dElectronique et Microtechnique Neuchâtel, Schweiz
  • Universität Bielefeld
  • Nottingham Trent University