Perfusionstechnologien / Organ-on-a-Chip

Im iba steht die Perfusionskultivierung von Zellkulturmodellen und -konstrukten als auch deren Beeinflussung durch Fluidströme im Zentrum von Forschungsarbeiten. Auf der Basis jahrelanger Erfahrung und mit Hilfe von Strömungssimulationen werden unterschiedlichste Perfusionskammern für spezifische Applikationen entwickelt, konstruiert und in der institutseigenen Werkstatt gefertigt. Neben der Anwendung als Perfusionskulturen in Organ-on-Chip-Systemen (z.B. SepaChip-Projekt) reicht das Applikationsspektrum von der Kultivierung adhärenter Zellen zur Produktion von rekombinanten Proteinen (VLP-Projekt) über strömungsdynamische Untersuchungen für Materialtests in der Biomedizin und der mikroskopischen Diagnostik von Zellkonstrukten bzw. -proben unter Scherstressbedingungen (Pham et al.), bis hin zur biomagnetischen Separation spezifischer Zielzellen aus komplexen Fluiden wie Blut (MABAZELL-, MUSST-Projekt).

Durch die optionale Integration von online-Sensoriken in die Organ-on-Chip-Systeme sind steuerbare Langzeitkultivierungen von in vivo-nahen 3D-Zellkulturmodellen (hier heterotypische Sphäroide, Organoide wie auch Biopsien) möglich. Damit ist die grundlegende Voraussetzung für Medikamenten-, Diagnostik- und Therapieentwicklungen, insbesondere auch für personalisierte Ansätze, im Rahmen des Disease Modeling gegeben. Bei der Chipentwicklung werden sowohl der Einfluss verschiedenster Materialien hinsichtlich ihrer physikalisch/chemischen (z. B. Gaspermeabilität, Verdunstung, Oberflächenstrukturierungen, etc.) und biologischen (z.B. Biokompatibilität) Eigenschaften und andererseits Aspekte zum Erhalt der Zellvitalität (z.B. Medienwahl, Sauerstoffgehalt, Perfusionsrate, etc.) und der gewebespezifischen Funktionalität, hier im speziellem der Pharmakokinetik (z.B. Dimension, Zellheterogenität, epigenetische Signaturen, etc.) berücksichtigt. Individuell werden die Art und der Grad der Perfusion zur Imitation der Vaskularisierung angepasst. Die flexible Gestaltung der Anzahl der Perfusionskammern ermöglicht die gleichzeitige Untersuchung von Medikamenten an gesundem und krankem Gewebe. Die Integration einer neuartigen, sterilisierbaren On-Chip Pumpe ermöglicht eine Parallelisierung der Ansätze und damit eine statistische Absicherung der Ergebnisse. Eine zusätzliche Kopplung mit verschiedenster Zellanalytik ist jederzeit möglich, eine Automatisierung ist von der jeweiligen individuellen Fragestellungen abhängig, wird jedoch vorzugsweise immer angestrebt (z.B. für High Content Analytik).

Mit seinen Perfusionssystemen hat das iba neben der Tropfen-basierten und der Microplate-basierten Technologie eine dritte Plattform für dynamische Kultivierungsprozesse und Strömungsuntersuchungen etabliert.