System Engineering und Validierung einer bimodalen mikrophysiologischen Systemplattform für das Disease-Modeling von viralen Infektionen im Knochengewebe
(Bone-Infection-on-a-Chip)
 

Die durch SARS-CoV-2 verursachte COVID-19 Erkrankung stellt die medizinische Versorgung vor enorme Herausforderungen. Ein Grund sind nicht nur die auftretenden schweren Verläufe bei ca. 5% der Patienten, sondern auch die Qualität der eingesetzten Therapien und der Schutz vor möglichen Langzeitwirkungen der Infektion oder Nebenwirkungen der Therapien. So konnte gezeigt werden, dass es im Zusammenhang mit der Erkrankung vermehrt zu Knochennekrosen kommt. Der genaue Mechanismus ist allerdings noch unklar und bedarf neuer in vitro-Lösungen. Vor diesem Hintergrund ist ein Ziel des Vorhabens die Herstellung eines chipbasierten Kultivierungssystems zur Darstellung einer Infektion des Knochengewebes, bzw. der „bone multicellular unit“ (BMU). In der BMU wird über die Interaktion der Osteoblasten und Osteoklasten, der Knochenmetabolismus reguliert. Zur Nachbildung einer ossären Nische wird eine 3D-Gerüststruktur (Scaffolds) mittels der 2-Photonenpolymerisation (2PP) erzeugt. Das innovative Verfahren ermöglicht eine Generierung von gewebeanalogen Materialien. Zur einfacheren Handhabung wird der Scaffold in ein Chip-System integriert, wodurch eine Besiedlung, Kultivierung und Infektion der verschiedenen Zelltypen über einfache Perfusion möglich ist. Des Weiteren wird der Chip an die Anforderungen einer optischen Analyse angepasst, um ein invasionsfreies Imaging der Zellphänotypen zu garantieren. Die Entwicklung einer fluidischen Peripherie sowie eines entsprechenden Mikroskopiemoduls sind demnach weitere Schwerpunkt des Vorhabens. Am Ende des Vorhabens soll ein in eine (i) einfache Peripherie integrierter (ii) optimierter Bone-on-a-Chip für eine 3D-Zellkultivierung entstehen, welcher eine schnelle und einfache Analyse der Auswirkungen einer Infektion und möglicher Therapieansätze gewährleistet, sowie mittels (iii) eins Mikroskopiemoduls ein Screening zu therapeutischen Optionen zulässt.

Das Projekt gehört zum Spezialisierungsfeld Gesundes Leben und Gesundheitswirtschaft der RIS3 Thüringen und betrifft das Wettbewerbsthema Vorbereitung einer grünen, digitalen und stabilen Erholung der Wirtschaft, inkl. Forschung und Entwicklung, die zu diesem Ziel oder zu einer Stärkung des Gesundheitssystems beiträgt mit dem Kennzeichen REACT1.

Das diesen Ergebnissen zugrundeliegende Vorhaben wurde vom Freistaat Thüringen unter dem Aktenzeichen 2021 FE 9093 gefördert und durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE-OP) als REACT EU-Vorhaben kofinanziert.