Molekularbiologisch- biochemische  Prozesstechnik  

Molekularbiologisch-
biochemische
Prozesstechnik

Forschungsprofil

Im Rahmen unserer Forschung entwickeln wir elektrochemische Biosensoren und dazu passende Analytik-Messmodule. Ziel ist es, zur Entwicklung neuer Therapien und Wirkstoffe für Krankheiten wie Krebs, Herzkreislauf-Erkrankungen oder neurodegenerative Erkrankungen wie Morbus Alzheimer beizutragen. Gleichermaßen wollen wir unsere Bioanalytik und Technologie einsetzen, um die Ursachen der Krankheiten sowie ihren Verlauf in repräsentativen Zell- und Gewebemodellen im Echtzeit-Modus zu beobachten bzw. zu verstehen.

Biosensorik und Mikroelektrodenarrays

 für eine multiparametrische Echtzeitanalytik

Der Zweck elektrochemischer Biosensoren besteht darin, Vorgänge in biologischen Systemen in verwertbare Information zu „übersetzen“. Elektroden nehmen Signale aus einer biologischen Komponente auf und zeichnen deren elektrochemische Aktivität auf. Die biologische Komponente kann aus einem Biomolekül, einer Zelle oder einem Gewebe bestehen.

Der Biosensor wiederum besteht aus einem System von Mikroelektroden und Gegenelektroden, an die ein Potenzial angelegt wird. Die biologische Komponente verändert nach Zugabe einer Substanz ihre elektrochemischen Eigenschaften. Diese Änderung wird von einer Messstation aufgezeichnet und anschließend vom Forscherteam interpretiert und korreliert. Damit lassen sich z.B. Rückschlüsse auf die Effekte von Substanzen ziehen, beispielsweise bezüglich ihrer Wirksamkeit oder Toxizität.

Wie ein Zell-basierter Sensor designt wird, hängt von vielen Faktoren ab, einer davon ist der Zell- und Gewebetyp. Herzmuskelzellen verhalten sich anders als Nervenzellen oder neuronale Gewebe. Außerdem muss das Material eines Sensors biokompatibel sein und diverse leitfähige, halbleitende Elektrodenstrukturen unterschiedlicher Geometrie und Konfiguration enthalten sein.

Auch das Messverfahren, für das ein Sensor konzipiert wird, spielt eine Rolle. Sollen nur elektrochemische Verfahren eingesetzt werden, müssen das Sensormaterial und die Elektroden sowie Leiterbahnen nicht zwingend durchsichtig sein. Transparenz ist aber unbedingt erforderlich, wenn man auch optische Messungen an hochauflösenden Mikroskopen durchführen will.

Eine neue Generation von Sensoren aus unserem Labor ist in der Lage, auf einer minimalen Fläche ein ganzes Mikrolabor zu vereinen. Das bedeutet, dass chemische Synthesen, die elektrophoretische Reinigung und Separation von Edukten und Produkten und die online-Analyse auf Zellen und Gewebe in kleinsten Volumina auf einem Mikrofluidikchip ablaufen können.

Wirkstoffanalysen und prädiktive Diagnostik an humanen Krankheitsmodellen im 3D-Format laufen derzeit bereits auf von uns eigens dafür entwickelten Titerplatten-Multi-Mikroelektrodenarrays in elektronischen Frontend-systemen mit hoher Genauigkeit, Sensitivität, und Geschwindigkeit ab. Unsere Sensoren werden in unserem Reinraum für Halbleitertechnik sowie im Laser- und Elektronik-Labor entworfen, gefertigt und validiert.

Analytik und Messtechnologien

auf Biochips für das Hochdurchsatz-Screening

Viele physiologische Prozesse, die im Inneren von biologischen Systemen ablaufen, unterliegen biophysikalischen Gesetzen. Durch entsprechende Analyse- und Messmethoden werden diese Prozesse erfassbar und lassen sich bewerten.

Zu den wesentlichen Messmethoden gehören die Zyklovoltammetrie und die Impedanzspektroskopie. Beide basieren auf dem Prinzip, elektrochemische Veränderungen eines biologischen Systems zu erfassen und daraus Schlussfolgerungen zu ziehen.

Humane Krankheitsmodelle in 2D- und 3D-Formaten auf dem Chip

In diesem Bereich unseres Teams wird die Informationsquelle unserer Forschung generiert, nämlich Zellen und Gewebeaggregate bzw. organotypische Gewebsäquivalente (Organoide). Anhand vitaler Zell- und Gewebekulturen versuchen Wissenschaftler die Physiologie im Lebendmodus aufzuzeichnen und ggfs. auch molekulare Veränderungen, die zu einem krankhaften Zustand führen frühzeitig zu erkennen. Diese Zell- und Gewebekulturen, häufig basierend auf differenzierten humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC) eignen sich für toxikologische Studien und Wirkstoffanalysen.

So beschäftigen wir uns in der Zell- und Gewebekultur auch damit, pathologische Zellmodelle zu generieren und in ihrer Molekularbiologie und Physiologie zu verstehen. Das können beispielsweise Tumorzellen sein, aber auch ischämische Herzmuskelzellen oder Nervenzellen, die gentechnisch verändert Neuropathien aufzeigen. Diese Zellmodelle dienen dann als Ausgangsbasis für die Wirkstoff-Forschung.

Dreidimensionale Gewebekulturen bilden die Realität im Körper viel besser ab als zweidimensionale Zellkulturen in planaren Zellkulturschalen. Daher werden im Zellkulturlabor immer neue Techniken entwickelt, um für verschiedene Zelltypen entsprechende 3D-Konstrukte zu generieren. Das muss für jeden Zelltyp individuell geschehen. Stammzellen stellen andere Anforderungen als Herzmuskelzellen, Tumorzellen benötigen andere Kulturbedingungen als Retinazellen.

Welche Kulturbedingungen für welchen Zelltyp jeweils erforderlich sind, wird nach aufwändigen Versuchsreihen in sogenannten Standard Operation Protocols  (SOP) festgehalten. Erst wenn ein solches SOP definiert werden konnte, ist die Basis für die Reproduzierbarkeit eines Experiments gegeben.


letzte Änderung: 23.05.2019 

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