Forschungsgruppe "3D(mikro)HTS"

Bei tropfenbasierten Verfahren wird nicht nur mit deutlich kleineren Probenvolumen (im Bereich von µl- bis pl) gearbeitet, auch werden durch die Miniaturisierung nur geringe Wirkstoffmengen benötigt, was kosteneffizienter ist. Ein weiterer Vorteil liegt in der geschlossenen Anordnung solcher Systeme, wodurch Verdunstungseffekte deutlich minimiert und die Proben sowie der Nutzer vor Kontamina­tionen geschützt werden. Zudem ermöglichen tropfenbasierte Verfahren ein hohes Maß der Automa­tisierung und die Proben (zellhaltige Medientropfen) liegen in einem optisch transparenten Schlauch vor. Dies ermöglicht die Erfassung und Analyse von Sphäroiden aus verschiedenen Blickwinkeln mit mikroskopischen und spektroskopischen Methoden.

Die technologische Basisplattform wird im Rahmen der Forschungsgruppe 3DµHTS mit einem Imaging-, Raman- und Gigahertzsystem erweitert. Das mikroskopische Imaging System dient hierbei zur Analyse der biologischen Proben (den Zellen und den sich daraus bildenden Sphäroiden im Tropfen), während die Raman- und Gigahertzspektroskopie die Analyse der Tropfenmedien ermöglicht. Diese drei Inline-Systeme gewährleisten eine zeitgestaffelte Multiparameteranalyse jeder Probe und unterstützen in Kombination mit einer KI-Software eine umfassende Beurteilung des HTS-Prozesses. Das Anlernen der KI-Software erfolgt in diesem Projekt über umfangreiche Entwicklungs­studien zur Sphäroidbildung aus unterschiedlichen Zelltypen und dem anschließenden Wirkstoff­screening.

Die Entwicklungsstudien werden eine umfassende Datenbasis schaffen und Fragen zur Selbst­organisation von homo- und heterotypischen Sphäroiden im Mikrosystem und zum Verhalten primärer Gewebefragmente in Mikrokulturen beantworten.

Um das Anlernen der KI-Software weiter zu unterstützen, werden zusätzliche At- und Offline Analysen eingesetzt. Im Projekt dient hierbei ein Lichtblattfluoreszenzmikroskop (LSFM) zur Atline- und histologische Untersuchungen zur Offline-Analyse der Sphäroide. Diese Analysen dienen haupt­sächlich dem Training der KI, um damit zukünftig zusätzliche At- und Offline Untersuchungen einsparen zu können. Die Ergebnisse dieser Analysen fließen jedoch in die KI-Entwicklung ein und werden in Verbindung mit den Inline-Analysesystemen zur Auswertung zukünftiger Untersuchungen beitragen.

Die Validierung der HTS-Plattform und der entwickelten KI-Software erfolgt durch weitreichende Wirkstoffscreenings. Hierbei wird die Zellviabilität über eine zusätzliche Inline-Fluoreszenzanalyse bestimmt und entsprechend der untersuchten Wirkstoff/Zelltypen-Kombination die entsprechenden IC₅₀-Werte ermittelt.

Allgemein profitiert die Forschungsgruppe vor allem durch einen regen Austausch aller Beteiligten und der gemeinsamen Analyse der gewonnenen Daten, um insbesondere die Entwicklung von 3D-Zellkulturen im Tropfen und deren Reaktion auf Wirkstoffe statistisch belastbar beurteilen zu können.

Zusätzlich sind weitere Spezialisten für verschiedene Themenschwerpunkte über den Industriebeirat, der auch Partner aus dem klinischen Bereich einschließt, in die Forschungsgruppe involviert. Dieser Beirat wird mit seinem Knowhow, direkt aus der Anwendung, die Umsetzung der Forschungsschwerpunkte unterstützen.

Der Fokus liegt auf der Optimierung der 3DµHTS-Plattform, sowie der tropfenbasierten 3D-Zellkulturen inklusive abschließender Wirkstoffuntersuchungen. Zudem erstreckt sich das Auf­gabengebiet auf die Bedienung der Raman-Spektroskopie und des Durchfluss-Imagingsystems. Darüber hinaus werden weitere Methoden zur Analyse der metabolisierten Zellmedien außerhalb des Mikrosystems durchgeführt, um die Raman-Spektren der Proben gezielt interpretieren zu können. Auch liegen Viabilitätsanalysen zur Ermittlung der IC₅₀-Werte mittels Durchfluss-Fluoreszenzspektroskopie im Aufgabenfeld. Weitere Aufgaben sind die Auswertung der Daten und deren Aufbereitung zum Anlernen der KI im Kontext mit den Ergebnissen der anderen Promovierenden.

Der Fokus liegt auf der Etablierung und Vorbereitung der homo- und heterotypischen 3D-Zellkulturmodelle auf Basis von Zelllinien, Primärzellen und gegebenenfalls Patientenmaterial. Diese werden anhand molekularbiologischer, histologischer wie auch 3D-mikroskopischer LSFM Methoden analysiert und bewertet. Zudem werden die Ergebnisse des Zellprofilings für das Training der KI Analyse aufbereitet und zum Abgleich der Auswertungen der anderen Forschenden bereitstellen und mit diesen diskutieren.