Fachbereich Bioprozesstechnik
Wissenschaftliches Profil
Der Fachbereich Bioprozesstechnik beschäftigt sich mit der Beantwortung von Fragestellungen aus den Lebenswissenschaften, insbesondere zur Tumor- und Stammzellforschung aus dem Bereich der Medizintechnik, auf der Grundlage der Entwicklung und Erforschung komplexer technischer Systeme und bioprozesstechnischer Verfahren (Symbiose von Technik und Biologie) auf der Basis von Mikrofluidik und Hochdurchsatztechnologien.
Ausgehend von diesen Technologien werden mit neuentwickelten bioprozesstechnischen (z.B. pipe based bioreactors), messtechnischen und mikroskopischen (z.B. Lichtblattmikroskopie) Verfahren Krankheiten schnell, effektiv und reproduzierbar "in vivo" nah simuliert sowie Ansätze zu deren Bekämpfung untersucht und weiterentwickelt. Das Spektrum der Untersuchungen umfasst den Bereich der Manipulation und Kultivierung einzelner Zellen bis hin zu zeitabhängigen Untersuchungen von komplexen 3D-Zellstrukturen (1D- bis 4D-Untersuchungen).
Neuartige und zum Teil eigens für die zu untersuchenden Fragestellungen entwickelte fluoreszenzoptische 3D-Bildgebungsverfahren (Lichblattmikroskopie, automatisierte Epifluoreszenzmikroskopie für Microplate-basierte Zellkultivierungssysteme und Tropfen-basierte Zellkultivierungssysteme) ermöglichen eine schnelle und schonende Charakterisierung von 3D-Zellstrukturen in hohem Durchsatz. Bei der Bearbeitung der Forschungsthemen werden von Beginn an die Aspekte einer kompletten Wertschöpfungskette mit Fokus auf die Vermarktung berücksichtigt.
Anwendungsbereiche
Die Untersuchung von Krankheiten und die Entwicklung von neuen Therapieansätzen ist oft eng verknüpft mit der Notwendigkeit nach schnellen und sicherheitstechnischen zuverlässigen Versuchsplattformen und -methoden. Zudem stehen oft nur geringe Probenmengen (z.B. Zellen, Biopsien) zur Verfügung, an denen möglichst viele Parameter mit hoher statistischer Sicherheit untersucht werden sollen. Diese Forderungen erfüllen Hochdurchsatzsysteme auf der Basis von Mikrotiterplatten oder der Tropfen-basierten Mikrofluidik. Die im iba neu entwickelten bzw. verwendeten Hochdurchsatzsysteme (z.B.Modified Hanging Droplet, Liqiud Overlay, pipe based bioreactors) erfüllen diese Anforderungen und liefern mit schneller mikroskopischer und/oder spektroskopischer und elektrischer Messtechnik statistisch sichere Ergebnisse bei geringem Probenbedarf.
Sowohl die Hochdurchsatzsysteme als auch die Messtechnik können flexibel an die Anforderungen der jeweiligen biologischen Applikation adaptiert werden. Beispiele hierfür sind Untersuchungen an Tumorzellen und Stammzellen, aber auch an Mikroorganismen (z.B. für die Sepsisforschung). Darüber hinaus entwickeln und nutzen wir kontinuierliche und tropfenbasierte mikrofluidische Systeme zur katalytischen Generierung von Partikeln für computertomografische Anwendungen und für Untersuchungen zur biomagnetischen Separation, z.B. zur Isolationvon Tumorzellen aus Blutproben (Circulating Tumor Cells, CTCs).
- Tumorforschung
Im Mittelpunkt der Arbeiten zur Tumorforschung steht die Langzeitkultivierung von 3D-Zellstrukturen, deren Behandlung mit Chemotherapeutika und/oder Strahlung und die Dokumentation der Reaktion der 3D-Zellstrukturen auf die Therapie. Die im iba vorhandenen Kultivierungs- und Detektionsplattformen sind generell hochdurchsatzgeeignet und stehen für ein breites Spektrum von Tumoren, aber auch für individualmedizinische Ansätze im Bereich der Tumorforschung zur Verfügung.
- Stammzellforschung
Aufgrund der Modularität und Flexibilität der o.g. Kultivierungs- und Detektionsplattformen sind diese durch technische und verfahrenstechnische Modifikationen auch für die Kultivierung, die Differenzierung und die Charakterisierung von Stammzellen geeignet.
- Forschungsthemen
Forschungsthemen
- Grundlegende Forschungsarbeiten zur Beantwortung von Fragestellungen aus den Lebenswissenschaften auf der Basis Mikrofluidik-basierter Zellkultivierungsplattformen
- Entwicklung von Methoden und Technologien zum Handling, Kultivieren und Detektieren von
- Zellen im Maßstab 1D bis 4D
- Kokulturen
- Mischkulturen
- Entwicklung, Charakterisierung und Applikation Mikrofluidik basierter technologischer Plattformen:
- parallelisierbare Perfusionssysteme auf der Basis von Polymerchips
- Tropfen-basierte Systeme für hohe Durchsätze (pipe based bioreactors)
- Microplate-basierte Systeme (Modified Hanging Droplet, Liquid Overlay)
- Entwicklung, Charakterisierung und Applikation kundenspezifischer technologischer Plattformen:
- Perfusionssysteme auf der Basis von Keramikcarriern
- Solid State Bioreaktoren (verschiedene Substrate und Ausführungsformen)
- Suspensionsreaktoren (Spezialanfertigungen)
- Entwicklung, Charakterisierung und Applikation Magnet-basierter Zellseparationsmethoden, z.B. für die klinische Stammzellforschung und die „Point-of-Care“ Diagnostik
- Automatisierte Charakterisierung von Zellstrukturen im 1D-4D Maßstab (z.B. Einzelzellen, Sphäroide, Gewebebiopsien) auf der Basis mikroskopischer Verfahren in hohem Durchsatz (Lichtmikroskopie, Epifluoreszenzmikroskopie, Lichtblattmikroskopie)
- Untersuchungen katalytischer Reaktionen in Tropfen-basierten mikrofluidischen Systemen
- Kalorimetrische und impedanzespektroskopische Untersuchungen an Tropfen-basierten mikrofluidischen Systemen
- Numerische Charakterisierung der fluidischen Eigenschaften von Zellkultivierungsplattformen
- Topografische und chemische Modifikation von Oberflächen (z.B. Plasmabeschichtung)
- Projekte
Titel Fördermittelgeber Laufzeit KI-gestützte Multiparameteranalysen auf der Basis einer tropfenbasierten mikrofluidischen Plattform für das Hochdurchsatz-Screening von 3D-Zellkulturen (3DµHTS) TMWWDG 2024-2026 Tropfenbasierte Analyseplattform für Virusinfektionen (TAPIR) TMWWDG 2022-2022 Neuer mikrofluidischer Lösungsansatz zur Quantifizierung von infektiösen Viren (µViroscreen) BMWK 2021-2023 Entwicklung von Perfusionseinsätzen für Langzeituntersuchungen von 3D-Zellkulturen (MS Multi Mat – Membran-App) BMWi 2021-2023 Kultivierung und Analyse von Zellen und Biomolekülen als Beitrag zur Krebsfrühdiagnose und -verlaufsuntersuchung (Krebsfrühdiagnostik) TMWWDG 2020-2020 pipe based bioreactors® als Plattform für das Screening von Wirkstoffen gegen Virusinfektionen (Virus-pipe) TMWWDG 2020-2021 Raman-basiertes Zell- und Metabolit-Monitoring zur Identifikation wirkstoffresistenter Zellen in 3D-Kulturen unter Chemotherapie (3DTheraRam) TMWWDG 2020-2023 Mikrosystemtechnische Synthese von konfigurierbaren, magnetischen Nanopartikeln für die Theranostik (SynMAG) BMBF 2019-2022 Entwicklung und Validierung der Sensorik für die Kultivierung von Gewebebiopsien in parallelisierten Polymerchips (SepaChip) BMBF 2019-2022 Entwicklung eines druckbasierten Fluidmanipulationssystems für die tropfenbasierte Mikrofluidik (µDropControl) BMWi 2020-2022 Mikrofluidische Theranostik-Plattform zur sterilen Manipulation und in-vitro Kultivierung von 3D-Zellkulturmodellen für individualisierte Tumortherapien (µSteriCulture) TMWWDG 2018-2021 Integrative Analysis of Gene Functions in Cellular and Animal Models of Pancreatic Cancer (CAM-PaC) EU 2013-2018 Mehrebenenrobotersystem als universelle Manipulations- und Detektionsplattform für ein- und mehrdimensionale Zellkulturen (MeRoSys) TMWWDG 2018-2018 High(er)-Throughput-Charakterisierung von 3D-Zellkulturen mittels kombinierter Methoden auf der Basis der Lightsheetmikroskopie (3D-Highlight) TMWWDG 2015-2018 Biomagnetische Zellseparation auf Basis der „Lab-On-Disk“ Technologie für die „Point-of-Care“ Diagnostik (BioCellLab) BMWi 2014-2016 Multi-step Streptamer-System für die klinische Stammzellforschung (MUSST) EU 2014-2017 Neue Syntheseleistungen durch Kopplung mikroorganismischer und Metallnanopartikelkatalysierter Prozesse in der Mikroreaktionstechnik (BactoCat) BMBF 2012-2015 Strukturierung von Spritz- und Druckguss Werkzeugen mit UKP-Laser zur Oberflächenfunktionalisierung beim Urformen (µSurface) TMWWDG 2013-2014 Hochdurchsatz-Chip-Kalorimeter mit Segmented-Flow-Technik (ChipCalSegFlow) BMWi 2012-2014 Langzeitstabile hydrophobe Oberflächenbeschichtungen für Droplet-Based Microfluidic Systems (DROPbased) BMWi 2011-2013 High Yield and Performance Stem Cell Lab (HYPERLAB) EU 2009-2012 Magnet-basierte Separation immunologisch relevanter Zellen aus Blut (MABAZELL) BMBF 2009-2012 Nano- and microtechnology-based analytical devices for online measurements of bioprocesses (NANOBE) EU 2009-2012 Ein mikrosystemtechnologisches Gerätesystem für die kryobiologische Lebendablage von multizellulären Aggregaten für die ex-vivo Diagnostik sowie die spezifische Medikamentenentwicklung (µCryoLab) BMBF 2006-2011 Integration of Fluidic and Electric Microscaled Priciples (InFluEMP) EU 2006-2010 Neue Lösungsansätze zum schnellen Biomonitoring auf der Basis von Biomagnetischer Separation und Nanotechnologie (LÖBISENA) BMWi 2006-2008 Übertragung der koaxialen Airjet Droplet-Technologie in Einzelkapseltechnologie (µAirjet) BMBF 2005-2009 Hochdurchsatz-Bioassay-System auf Basis mikroserieller Zellkulturen in flüssig/flüssig-Zweiphasensystemen (SERIZELL) BMBF 2005-2008 Protein-Prozessierungs-Plattform (3P) BMBF 2003-2006 Mikroreaktorik für High Throughput-Einzelzellkultivierungen von Mikroorganismen (Minikult) BMBF 2001-2004 Entwicklung einer Anordnung zur Kultivierung adhärent wachsender Zellen für die Produktion von virus-ähnlichen Partikeln (VP1-VLP) des Hauptstrukturproteins VP1 des Polyomavirus JCV (VP1 - VLP) TMWFK 1999-2001 Neuartige Probenahmeeinrichtung für biotechnologische Anwendungen unter Nutzung der Mikrosystemtechnik (Nepomuk) BMBF 1998-2001 - Publikationen
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- Mitarbeiter
von links oben nach rechts unten: Dr. Franziska Moll, Alexander Schug, Tobias Förster, Emina Wagner, Masoumeh Namaqi, Dr. Karen Lemke (Avatar), Dr. Jörg Schemberg, Mario Saupe, Robert Römer, Dr. Stefan Wiedemeier
Ansprechpartner
Dr. Karen Lemke
Bioprozesstechnik
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