Perfusionstechnologien / Organ-on-a-Chip

Das iba erforscht die Perfusionskultivierung von Zellkulturmodellen und -konstrukten und wie diese von Fluidströmen beeinflusst werden. Mithilfe von Strömungssimulationen werden unterschiedlichste Perfusionskammern für spezifische Applikationen entwickelt, konstruiert und in der institutseigenen Werkstatt gefertigt.

Die Anwendungen von Perfusionssystemen sind vielfältig:

  • Organ-on-Chip-Systeme (Mehrkanal-3-D-Mikrofluidik-Biochips, z. B. beim SepaChip-Projekt)
  • Kultivierung adhärenter Zellen zur Produktion rekombinanter Proteine (VLP-Projekt)
  • strömungsdynamische Untersuchungen für Materialtests in der Medizin
  • mikroskopische Diagnostik von Zellkonstrukten bzw. -proben unter Scherstressbedingungen
  • biomagnetische Separation spezifischer Zielzellen aus komplexen Fluiden, z. B. Blut (MABAZELL-Projekt, MUSST-Projekt)

Durch die optimale Integration von online-Sensoren in die Organ-on-Chip-Systeme sind steuerbare Langzeitkultivierungen von „in vivo“-nahen 3D-Zellkulturmodellen (z. B. heterotypische Sphäroide, Organoide oder Biopsien) möglich. Damit ist die grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung von Medikamenten, Diagnostik und Therapie im Rahmen des Disease Modeling gegeben – insbesondere auch für personalisierte Ansätze.

Bei der Chipentwicklung werden unterschiedliche Parameter berücksichtigt:

  • physikalisch/chemische Eigenschaften von Materialien (z. B. Gaspermeabilität, Verdunstung, Oberflächenstrukturierung usw.)
  • biologische Eigenschaften von Materialien (z. B. Biokompatibilität)
  • Aspekte zum Erhalt der Zellvitalität (z. B. Medienwahl, Sauerstoffgehalt, Perfusionsrate usw.)
  • Aspekte zur gewebespezifischen Funktionalität, hier im speziellen der Pharmakokinetik (z. B. Dimension, Zellheterogenität, epigenetische Signaturen usw.)

Individuell angepasst werden Art und Grad der Perfusion zur Imitation der Vaskularisierung. Die Anzahl der Perfusionskammern ist flexibel und ermöglicht die gleichzeitige Untersuchung von Medikamenten an gesundem und krankem Gewebe. Mit der Integration einer neuartigen, sterilisierbaren On-Chip Pumpe können Ansätze parallel betrachtet und die Ergebnisse statistisch abgesichert werden. Eine zusätzliche Kopplung mit verschiedenster Zellanalytik ist jederzeit möglich. Eine Automatisierung ist von der jeweiligen Fragestellung abhängig, wird aber vorzugsweise immer angestrebt (z. B. für High Content Analytik).

Die Perfusionssysteme sind neben der Tropfenbasierten Mikrofluidik und der Microplate-basierten Mikrofluidik die dritte Plattform für dynamische Kultivierungsprozesse und Strömungsuntersuchungen, die das iba im Institut etabliert hat.