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)