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 invivo-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 eineschnelle und schonende Charakterisierung von 3D-Zellstrukturen in hohem Durchsatz. Beider Bearbeitung der Forschungsthemen werden von Beginn an die Aspekte einer komplettenWertschöpfungskette 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 Parametermit 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 Anforderungender 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

  • 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:
  • 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 Verfahrenin 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
    Raman-basiertes Zell- und Metabolit-Monitoring zur Identifikation wirkstoffresistenter Zellen in 3D-Kulturen unter Chemotherapie (3DTheraRam) TMWDDG 04/2020-03/2023
    Mikrosystemtechnische Synthese von konfigurierbaren, magnetischen Nanopartikeln für die Theranostik (SynMAG) BMBF 06/2019-05/2022
    Entwicklung und Validierung der Sensorik für die Kultivierung von Gewebebiopsien in parallelisierten Polymerchips (SepaChip) BMBF 04/2019-03/2022
    Entwicklung eines druckbasierten Fluidmanipulationssystems für die tropfenbasierte Mikrofluidik (µDropControl) BMWi 02/2020-01/2022
    Mikrofluidische Theranostik-Plattform zur sterilen Manipulation und in-vitro Kultivierung von 3D-Zellkulturmodellen für individualisierte Tumortherapien (µSteriCulture) TMWDDG 04/2018-03/2021
    Integrative Analysis of Gene Functions in Cellular and Animal Models of Pancreatic Cancer (CAM-PaC) EU 11/2013-10/2018
    Mehrebenenrobotersystem als universelle Manipulations- und Detektionsplattform für ein- und mehrdimensionale Zellkulturen (MeRoSys) TMWDDG 03/2018-10/2018
    High(er)-Throughput-Charakterisierung von 3D-Zellkulturen mittels kombinierter Methoden auf der Basis der Lightsheetmikroskopie (3D-Highlight) TMWDDG 08/2015-07/2018
    Biomagnetische Zellseparation auf Basis der „Lab-On-Disk“ Technologie für die „Point-of-Care“ Diagnostik (BioCellLab) BMWI 03/2014-09/2016
    Multi-step Streptamer-System für die klinische Stammzellforschung (MUSST) EU 01/2014-03/2017
    Neue Syntheseleistungen durch Kopplung mikroorganismischer und Metallnanopartikelkatalysierter Prozesse in der Mikroreaktionstechnik (BactoCat) BMBF 11/2012-10/2015
    Strukturierung von Spritz- und Druckguss Werkzeugen mit UKP-Laser zur Oberflächenfunktionalisierung beim Urformen (µSurface) TMWDDG 08/2013-12/2014
    Hochdurchsatz-Chip-Kalorimeter mit Segmented-Flow-Technik (ChipCalSegFlow) BMWi 04/2012-03/2014
    Langzeitstabile hydrophobe Oberflächenbeschichtungen für Droplet-Based Microfluidic Systems (DROPbased) BMWi 01/2011-06/2013
    High Yield and Performance Stem Cell Lab (HYPERLAB) EU 09/2009-08/2012
    Magnet-basierte Separation immunologisch relevanter Zellen aus Blut (MABAZELL) BMBF 02/2009-06/2012
    Nano- and microtechnology-based analytical devices for online measurements of bioprocesses (NANOBE) EU 04/2009-03/2012
    Ein mikrosystemtechnologisches Gerätesystem für die kryobiologische Lebendablage von multizellulären Aggregaten für die ex-vivo Diagnostik sowie die spezifische Medikamentenentwicklung (µCryoLab) BMBF 09/2006-03/2011
    Integration of Fluidic and Electric Microscaled Priciples (InFluEMP) EU 12/2006-11/2010
    Neue Lösungsansätze zum schnellen Biomonitoring auf der Basis von Biomagnetischer Separation und Nanotechnologie (LÖBISENA) BMWi 05/2006-04/2008
    Übertragung der koaxialen Airjet Droplet-Technologie in Einzelkapseltechnologie (µAirjet) BMBF 11/2005-10/2009
    Hochdurchsatz-Bioassay-System auf Basis mikroserieller Zellkulturen in flüssig/flüssig-Zweiphasensystemen (SERIZELL) BMBF 01/2005-06/2008
    Protein-Prozessierungs-Plattform (3P) BMBF 01/2003-12/2006
    Mikroreaktorik für High Throughput-Einzelzellkultivierungen von Mikroorganismen (Minikult) BMBF 10/2001-12/2004
    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 03/1999-02/2001
    Neuartige Probenahmeeinrichtung für biotechnologische Anwendungen unter Nutzung der Mikrosystemtechnik (Nepomuk) BMBF 07/1998-06/2001
  • Publikationen

    Widder, M., Lemke, K., Kekeç, B., Förster, T., Grodrian, A., Gastrock, G., A modified 384-well-device for versatile use in 3D cancer cell (co-) cultivation and screening for investigations of tumor biology in vitro. Eng. Life Sci. 2018, 18, 132-139.

    Wiedemeier, S., Eichler, M., Römer, R, Grodrian, A., Lemke, K., Nagel, K., Klages, C.-P., Gastrock, G., Parametric studies on droplet generation reproducibility for applications with biological relevant fluids. Eng. Life Sci. 2017, 17, 1271–1280.

    Widder, M., Lemke, K., Kekeç, B., Förster, T., Grodrian, A., Gastrock, G., Automated 3D cancer cell cultivation for high-throughput investigations of tumor biology in vitro. Eng. Life Sci. 2017, 18, 132-139.

    Kaistha, B., Krattenmacher, A., Fredebohm, J., Schmidt, H., Behrens, D., Widder, M., Hackert, T., Strobel, O., Hoheisel, J., Gress, T., Buchholz, M., The deubiquitinating enzyme USP5 promotes pancreatic cancer via modulating cell cycle regulators. Oncotarrget Journal 2017, 8, 66215-66225.

    Wiedemeier, S., Römer, R., Wächter, S., Staps, U., Kolbe, C., Gastrock, G., Precision moulding of biomimetic disposable chips for droplet based applications. Microfluid Nanofluid 2017, 21, 167.

    Lerchner, J., David, K. A., Unger, F. T., Lemke, K., Förster, T., Mertens, F., Continuous Monitoring of Drug Effects on Tissue Samples by Segmented Flow Chip Calorimetry. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 2017, 127, 1307–1317.

    Spitkovsky, D., Lemke, K., Förster, T., Römer, R., et al., Generation of Cardiomyocytes in Pipe-Based Microbioreactor Under Segmented Flow. Cellular Physiology and Biochemistry 2016, 38, 1883-1896.

    Widder, M., Lützkendorf, J., Caysa, H., Unverzagt, S., Wickenhauser, C., Benndorf, R.A., Schmoll, H. J., Müller-Tidow, C., Müller, T., Müller, L. P., Multipotent mesenchymal stromal cells promote tumor growth in distinct colorectal cancer cells by a β1-integrin-dependent mechanism. Int J Cancer. 2016, 138, 964-975.

    Pham, T. T., Wiedemeier, S., Maenz, S., Gastrock, G., Settmacher, U., Jandt, K. D., Zanow, J., Lüdecke, C., Bossert, J., Hemodynamic aspects of reduced platelet adhesion on bioinspired microstructured surfaces. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 2016, 145, 502–509.

    Lemke, K., Förster, T., Römer, R., Quade, M., Wiedemeier, S., Grodrian, A., Gastrock, G., A modular segmented-flow platform for 3D cell cultivation. J. Biotechnol. 2015, 205, 59-69.

    Wolf A., Hartmann T., Bertolini M., Schemberg J., Grodrian A., Lemke K., Förster T., Kessler E., Hänschke F., Mertens F., Paus R., Lerchner J., Toward high-throughput chip calorimetry by use of segmented-flow technology. Thermochimica Acta 2015, 603, 172-183.

    Budden, M., Schneider, S., Groß, G. A., Kielpinski, M., Henkel, T., Cahill, B. P., Köhler, J. M., Microfluidic encoding: Generation of arbitrary droplet sequences by electrical switching in microchannels. Sensors and Actuators A: Physical 2013, 198, 288-297.

    Sinzinger S., Cahill B. P., Metze J., Hoffmann M., Optofluidic Microsystems for Application in Biotechnology and Life Sciences. In: Fritzsche W., Popp J. (eds.) Optical Nano- and Microsystems for Bioanalytics. Springer Series on Chemical Sensors and Biosensors (Methods and Applications) 2012, vol 10., 305-323, Springer, Berlin, Heidelberg.

    Cahill, B. P., Land, R., Metze, J., Simulation of the Measurement of the Impedance of Aqueous Droplets in Segmented Flow. Chemical Engineering Transactions 2011, 24, 535-540.

    Howitz, S., Baudisch, F., Gast, F.-U., Richter, A., Grodrian, A., Gastrock, G., Metze, J., Microfluidic valves without diaphragms: hydrogel and PDMS-based rotary selection valves. In: Microfluidics: Theory and Applications. Editor: Kuznetsov, I. A.. ISBN 978-1-61668-570-6, 2010, Chapter 4, 135-148.

    Schemberg, J., Grodrian, A., Römer, R., Cahill, B. P., Gastrock, G., Lemke, K., Application of segmented flow for quality control of food using microfluidic tools. physica status solidi (a) 2010, 207, 904-912.

    Schemberg, J., Grodrian, A., Römer, R., Gastrock, G., Lemke, K., Online optical detection of food contaminants in microdroplets. Eng. Life Sci. 2009, 9, 391-397.

    Grodrian, A., Metze, J., Henkel, T., Martin, K., Roth, M., Köhler, J. M., Segmented flow generation by chip reactors for highly parallelized cell cultivation. Biosensors and Bioelectronics 2004, 19, 1421-1428.

    Henkel, T., Berming, T., Kielpinski, M., Grodrian, A., Metze, J., Köhler, J. M., Chip modules for generation and manipulation of fluid segments for micro serial flow processes. Chemical Engineering Journal 2004, 101, 439-445.

    Köhler, J. M., Henkel, T., Grodrian, A., Kirner, T., Roth, M., Martin, K., Metze, J., Digital reaction technology by micro segmented flow - components, concepts and applications. Chemical Engineering Journal 2004, 101, 201-216.

    Martin, K., Henkel, T., Baier, V., Grodrian, A., Schön, T., Roth, M., Köhler, J. M., Metze, J., Generation of larger numbers of separated microbial populations by cultivation in segmented-flow microdevices. Lab on a Chip 2003, 3, 202-207.

  • Mitarbeiter
    Dr. Gunter Gastrock

    Bioprozesstechnik
     +49 3606-671-400
     +49 3606-671-200
     gunter.gastrocknoSpam@iba-heiligenstadt.de