Forschungsprojekte

Neoterische Biomaterialien für die überwachte Differenzierung von hiPSCs zu RGCs: Herstellung, Mikrofabrikation & Mikrofluidik

Teilprojekt 7: Entwicklung einer opto-bioelektronischen Mikrofluidik-Plattform für das markierungsfreie Differnzierungs-Monitoring

Für die Stammzell-Kultivierung und Stammzelldifferenzierung werden bisher in der Regel einfache statische 2D-Kultivierungssysteme eingesetzt. Um die für Anwendungen wie den zelltherapeutischen Einsatz von z.B. humanen Stammzell-abgeleiteten retinalen Ganglienzellen (RGC) immer wichtiger werdende Ressource zukünftig in notwendiger, reproduzierbarer Qualität und in ausreichenden Mengen herstellen zu können werden sowohl neue xenogenfreie synthetische Polymere und Biopolymere für Kultivierungsstrukturen in 2D+ und 3D Zellkultursystemen dringend benötigt. Im Rahmen von bioMAT4EYE ist es daher das Ziel optimale und neuartige Strategien für die Herstellung von Polysaccharid-Hydrogelen, enzymatische und umweltverträgliche chemische Verfahren zur Modifizierung der Oberflächen von Materialien/Strukturen zu entwickeln und Formulierungen dieser Materialien mit Chitosan als Grundlage für neuartige Biotinten für den Einsatz in Bioreaktoren zu realisieren.
Einhergehend mit der Entwicklung von komplexen 2D+ und 3D-Kultivierungssystemen ist insbesondere bei über Wochen und Monate andauernden Differenzierungs- und Reifungsprozessen (z.B. neuronalen Zellkulturen) das kontinuierliche, nicht-invasive funktionale Monitoring und die aktive Kontrolle der Zellumgebung sinnvoll und notwendig. Hierfür eignen sich vor allem dynamische, das heißt (mikro)fluidische Kultivierungsformen. Die Kultivierung unter mikrofluidischen Bedingungen haben gezeigt, wie wichtig dies für die Axonbildung im Rahmen der Differenzierung zu Neuronen, einschließlich RGCs, ist. In diesem Kontext sind neuartige Mikrobioreaktoren mit integrierten chemischen und physikalischen Sensoren von entscheidender Bedeutung, die sowohl unter inerten als auch biologisch relevanten Bedingungen (bei der Arbeit mit hiPSCs und RGCs und während des Differenzierungsprozesses) eingesetzt werden sollen.
Das Teilprojekt der Universität Leipzig ist hier federführend bei der Erreichung der Projektziele „Implementierung fortschrittlicher Mikroelektroden-Array-basierter Sensoren in statischen und dynamischen Kultursystemen", um die Differenzierung von hiPSCs zu RGCs zu erleichtern sowie markierungsfrei in Echtzeit verfolgen zu können. Darüber hinaus ist das Teilprojekt der Universität Leipzig wichtiger Partner bei der Durchführung von Modellierung, Simulation und physikochemischen Tests der entwickelten Strukturen und Kultivierungssysteme unter mikrofluidischen Bedingungen.

• Impedimetrisches Monitoring in mikrofluidischen Reaktionssystemen zum Nachweis niedermolekularer Wirkstoffe im Fluss
• Mikrofluidisches Positionieren von 3D Sphäroiden in mikrofluidischen Reaktionssystemen für die Echtzeit-Biosensorik Flow Chemistry abgeleiteter Wirkstoffe
• Forstgeschrittene Technologien für Mikrosysteme – Neuartige 3D_Mikrofluidiksysteme mittels selektivem Laser-Ätzen auf Glassubstraten

Unsere Teilprojekte im Rahmen der DFG-Forschergruppe 2177 InCheM bedienen sich der Impedanz-basierten Bioanalytik auf vitalen Zellmodellen unter mikrofluidischen Bedingungen auf Lab-on-a-Chip-Systemen. Auf einem derartigen Mikrofluidik-Chip kann der Nachweis niedermolekularer Verbindungen im Durchfluss im Echtzeit-Modus erfolgen. Derartige Mikrofluidik-Chips enthalten Mikroreaktoren, Mikrofreiflusselektrophorese-Areale, Mikrokanal- und Mischerstrukturen sowie Mikroelektrodenarrays für die zellbasierte Analytik. Das Gesamtsystem ist in der Lage, kontinuierlich niedermolekulare Reaktionsprodukte aufzutrennen, organische Lösungsmittel abzutrennen und die Syntheseprodukte direkt im Zell-basierten Mikroelektrodenarray zu testen. Es handelt sich also um ein miniaturisiertes Labor, in dem erstmals chemische Synthese, Proteinaufreinigung und die Detektion der biologischen Funktion auf kleinstem Raum integriert sind. Vom Gesamtsystem werden Forscher profitieren, die Wirkstoffe entwickeln und bioaktive Leitsubstanzen schnell und sicher auf Wirksamkeit hin prüfen wollen.

Die Projekte werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Aktivierbare und schaltbare Polymere für die hybride organische Elektronik

Neuartige Energieträger, Sensoren und (Farbstoff)Materialien

In dem Verbundprojekt „Bio-Hybride Organische Elektronik“ sollen neue leitfähige, elektrisch-schaltbare, optisch-stimulierbare oder mechanisch-aktivierbare Polymere entwickelt und getestet werden. Diese polymer-chemischen Verbindungen sollen neue optoelektronische Eigenschaften insbesondere durch die Implementierung bioorganischer Strukturen besitzen.

In Teilprojekt 1 wird die Identifikation, Entwicklung und Charakterisierung neuartiger optoelektrisch schaltbarer Polymere mit diversen Wellenlängen-abhängigen Lichtemissionen u.a. auf optisch transparenten Dünnfilm-Halbleiterelektroden adressiert. Die Aktivierung dieser funktionellen Polymere in einem Modus Wellenlängen-abhängiger Emissionsgrade erlaubt die Entwicklung innovativer Biosensoren für den Einsatz, die Stimulation oder den Nachweis Licht-aktivierbarer Moleküle und chemischer Verbindungen sowie optogenetischer Zellen. In diesem Vorhaben werden Aspekte wie die Erforschung der Mechanismen bezüglich der Haltbarkeit der Lichtemission bzw. Transluzenz dieser organischen (Polymer)Elektronik im Fokus stehen. Der Mechanismus einer gekoppelten Elektrochromie soll für neue bzw. zu entwickelnde elektroaktive Polymere, die ihre optischen Eigenschaften bzw. ihren Farb-Code ändern können, angewendet werden. Dieser Ansatz einer bifunktionalen organischen Elektronik mit neuen elektrischen und optischen Eigenschaften besitzt das Potential in der (Bio)Sensorik das Portfolio der konventionellen Silizium- oder Leiter-/Halbleiter-Chips ergänzen. Das Ziel soll ein Chip auf Basis dieser Polymer-Elektronik sein, um über elektrochemische Messverfahren Marker (Biomoleküle) oder Zellen in der medizinischen Diagnostik oder in der Lebensmitteltechnologie und Umweltmonitoring nachweisen und im Live-Modus online detektieren zu können.

Individualisierte Therapie durch Stammzell-basierte in vitro Phänotypisierung bei Patienten mit Herzkrankheiten

In dem Verbundprojekt “PhenoCor – Individualisierte Therapie durch Stammzell-basierte in vitro Phänotypisierung bei Patienten mit Herzkrankheiten“ ist es das Ziel, ein innovatives High-Density-Mikroelektroden-Array-basiertes bioelektronisches Screening-System zu entwickeln. Dieses System bietet die Chance für Patienten mit genetisch verursachten Herzerkrankungen eine präzisere und effektivere in-vitro Stratifizierung, modellbasierte Therapieplanung und klinische Sicherheitspharmakologie zu ermöglichen. Das zu entwickelnde Gerät bietet hierzu eine Kombination aus Echtzeit-Messverfahren wie der elektrochemischen (Bio)Impedanzspektroskopie (EIS), der Impedanztomographie (EIT) und der elektrophysiologischen Ableitung in Verbindung mit optischen Ausleseverfahren. Damit wird es möglich, den komplexen in-vitro elektrophysiologischen Phänotyp (Feldpotential und rotorförmige Erregungsausbreitung) der Herzmuskelzellkulturen sowie die Effekte der zur Verfügung stehenden Wirkstoffe auf diesen Phänotyp zu erfassen. Darüber hinaus werden Parameter wie die Vitalität, Differenzierungsstatus, Zellgröße (Hypertrophie) und Kontraktion bzw. die Biomechanik erfasst.

In Teilprojekt 2 steht die Entwicklung des High-Density-Mikroelektroden-Arrays im Fokus. Um eine hohe spatiale Auflösung zu erreichen, wird ein neuartiges Array aus Mikroelektroden hoher Dichte entwickelt. Um eine parallele störungsfreie Datenerfassung von allen Mikroelektroden zu ermöglichen werden für die Entwicklungen Finite- Elemente-Methode (FEM) basierte Simulationen genutzt um die optimale Konfiguration und Geometrie der Mikroelektroden und Leiterbahnen zu erzielen. Für eine kontinuierliche und stabile Versorgung der zu analysierenden wird ein Fluidik-Kultivierungsaufsatz entwickelt und an das High-Density-Mikroelektroden-Array angekoppelt.