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Hydrogelbasierte 3D-Kultivierung von Zellen auf Chips für die Krebsdiagnose (INSPECT)

Fördermittelgeber:

Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft

Bearbeitungszeitraum:

2016 - 2019

Partner:

Senova GmbH, Weimar

X-FAB Semiconductor Foundries AG, Erfurt

CDA GmbH, Suhl

IMMS GmbH, Ilmenau

Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V.,

Projektleiter:

Prof. Dr. Klaus Liefeith

Der Gesamtverbund INSPECT hat zum Ziel, ein neuartiges Sensordesign zur Detektion von Krebsstadien im Sinne einer personalisierten Diagnostik und Therapie zu entwickeln. Bisher werden für in vitro-Studien der Tumor- und Pharmaforschung überwiegend 2D-Zellkulturmodelle genutzt. Aufgrund der Forschungsergebnisse in den letzten Jahren gewinnen jedoch 3D-Kultivierungsansätze rasant an Bedeutung. Die Daten belegen, dass Zellen in einer natur-nahen 3D-Kultur im Vergleich zur 2D-Kultivierung deutlich unterschiedliche Reaktionen auf Tumor- und Differenzierungsstimuli zeigen. Zusätzlich wurden die mechanischen Eigenschaften (z.B. Elastizität) dieser 3D-Mikroenvironments bisher weitestgehend vernachlässigt. Um eine verlässliche Aussage zur Tumorentstehung bzw. zum Effekt von pharmakologischen Wirkstoffen auf Tumorzellen unter Nutzung hochspezialisierter Sensorsysteme zu detektieren, erfordert das in INSPECT anvisierte Sensorsystem Konzepte für eine Kopplung sensorischer Einheiten mit 3D-Kultivierungsmatrices. Die Lösung stellt eine Plattform aus Scaffoldstrukturen/Gelen zur 3D-Kultivierung von Tumorzellen bzw. Stammzellen und elastizitätsvermittelten mechanischen Stimulationsreizen auf der Basis einer Hydrogelplattform dar. Das mit den neuartigen Sensoren ausgestattete Kultivierungssystem wird hierbei mit einem Hydrogel beschichtet, das eine komplexe dreidimensionale Struktur und definiert einstellbare, elastische Eigenschaften aufweist. Der Vernetzungsprozess der Hydrogelbildung wird hierbei durch Licht induziert (Photopolymerisation), wobei die Nutzung des 2P-Effektes (Zwei-Photonen-Polymerisation [2PP]) aufgrund der hohen Präzision hier auch als leistungsstarke Mikro- und Nanostrukturierungstechnik eingesetzt wird.Mikrostrukturierbare und biokompatible Photopolymere konnten bereits erfolgreich als dreidimensionale Trägerstrukturen für die Kultivierung von primären Säugerzellen eingesetzt werden. Aufbauend hierauf soll desweiteren mittels 2PP in Hydrogelen der komplexe Elastizitätsmodul, also das mechanische Eigenschaftsspektrum der Hydrogelbeschichtung, über die Anzahl der Polymercrosslinks eingestellt werden. Somit kann ein mechanisch-sensitives Gradientengel generiert werden, mit welchem sowohl Tumor- als auch Stammzellen definiert stimuliert werden können. Gemeinsam mit verschiedenen Projektpartnern sind Untersuchungen zur Entwicklung und Validierung miniaturisierter mikroelektronischer Diagnostik-Plattformen für die Anwendungsfelder der personalisierten Krebsdiagnostik durchzuführen.Das Forschungsprojekt startete am 01.06.2016. Erste Entwicklungsarbeiten sind auf die Auswahl geeigneter Hydrogelprecursoren für die 2PP-Vernetzung sowie die Konzeptentwicklung eines chipbasierten Hydrogelkonstruktes mit photonischer Detektionseinheit ausgerichtet. Über Ergebnisse wird zeitnah informiert.

 

Das diesen Ergebnissen zugrundeliegende Vorhaben wurde vom Freistaat Thüringenunter der Nummer 2015 FE 9163 gefördert und durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen desEuropäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert.

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