An dieser Stelle geben wir Ihnen einen Einblick in die aktuelle Forschungsthemen unseres Teams. Einen Überblick über unsere bereits abgeschlossenen Forschungsprojekte erhalten Sie im Forschungsbericht der Universität Leipzig.

Grafik zum Foschungsprofilbereich "Globale Verflechtungen" von Daniel Janetzki / Visionauten
Grafik: Daniel Janetzki / Visionauten

Aktuelle Forschungsprojekte

Hautkrebs im Echtzeit-Screening auf 3D Biochips

Hautkrebs gehört in der westlichen Welt zu den häufigsten Krebserkrankungen des Menschen. Gerade der schwarze Hautkrebs ist extrem aggressiv und manifestiert sich in drei sequentiellen Stadien: zuerst die radiale Wachstumszone, gefolgt von der vertikalen Wachstumszone und zuletzt dem invasiven Stadium: der Metastasierung. Bösartige Melanome nehmen zu und gehen mit erhöhter Sterblichkeit einher. Aktuelle klinische Studien konzentrieren sich auf Genexpressionsmuster und Mutationsstatus, gleichzeitig sucht man nach signifikanteren Kandidaten, die eine Zellveränderung anzeigen.

Unsere Forschung soll dafür sorgen, dass der Therapieerfolg für den einzelnen Patienten besser vorhergesagt werden kann. Die Idee dahinter ist, anhand von vitalen Biopsien bzw. 3D-Tumormodellen die Sensitivität oder auch Resistenz gegenüber ausgewählter Chemotherapeutika oder Proteinknase-Inhibitoren im Echtzeit-Modus auf Titerplatten-Mikrokavitätenarrays zu identifizieren.

Dazu wird eine elektronische Technologieplattform entwickelt und in Kooperation mit dem klinischen Partner der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig so optimiert, dass für Tumorbiopsien eine schnelle, sensitive und spezifische Ausleseeinheit entsteht. Diese besteht aus einem Electronic Board für Titerplatten-Mikrokavitäten-Elektrodenarrays und einer portablen Messstation, die biophysikalische bzw. impedimetrische Daten zur Chemosensitivität und Chemoresistenz der Tumorproben im Hochdurchsatz erhebt. Nach Auswertung dieser Daten soll für einen künftigen klinischen Einsatz in der personalisierten Melanom-Therapie ein Instrument bereitstehen, mit dem der behandelnde Arzt für jeden Patienten ein spezifisches Therapiekonzept erstellen könnte.

Die Projekte auf diesem Gebiet werden mit Mitteln der Deutschen Krebshilfe gefördert.

Controlling and Switching the Function of BioSurfaces: From Fundamentals to Applications

Die Forschergruppe widmet sich in Kooperation mit dem IOM in Leipzig der anspruchsvollen Aufgabe, zwei neue und innovative Hightech-Konzepte für biofunktionalisierte Oberflächen zu entwickeln und diese für Anwendungen in der Biotechnologie und der medizinischen Diagnostik zu optimieren. Beide Konzepte setzen auf schaltbare und somit von außen (nicht-thermisch) kontrollierbare Bio-Oberflächen.

Ein erstes großes Ziel der Forscherinnen und Forscher ist die Verankerung (Immobilisierung) von großen funktionalen Enzymen auf leitfähigen bzw. halbleitenden Oberflächen dar, die durch Stromfluss an den Elektroden geladen bzw. „betrieben“ und regeneriert werden können. Eine mögliche Anwendung wird im Bereich der Biokatalyse und somit der effizienten und kostengünstigen Synthese von hochwertigen Substanzen liegen.

Das Projekt wird von der Leibniz-Gemeinschaft gefördert.

  • 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.

Entwicklung einer Ultra High Dense-Multiwell-Mikroelektrodenarray-Screening-Plattform

Im Rahmen eines interdisziplinären Konsortiums wird ein neuartiges Multiwell-Ultra High Dense-Mikroelektrodenarray im Multiwellformat entwickelt, um im Live-Modus „quasi“-statische, dynamische, mechanische zelluläre Eigenschaften mit signifikant höherer räumlich-zeitlicher Auflösung detektieren zu können. Dadurch schaffen wir methodische und technologische Voraussetzungen für das gleichzeitige Monitoring vieler Parameter an diversen Zellmodellen im Rahmen ihrer Mikroumgebung und im Hinblick ihrer biomechanischen, viskoelastischen und motilen Eigenschaften. In diesem Zusammenhang soll eine neue multimodale und multiparametrische Monitoring-Plattform mit höherer Empfindlichkeit entstehen.

Es werden umfangreiche Informationen zum Verhalten vitaler Zellen in einem Netzwerk gesammelt. Das geschieht sensitiv und nicht-invasiv, das heißt ohne das Zellmaterial zu manipulieren oder zu markieren.

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.

IZ ORGANELIK Aufbau eines Interdisziplinären Zentrums für Biohybride Funktionspolymere

Der Freistaat Sachsen und die Universität Leipzig streben die Gründung eines Forschungszentrums für den zukunftsträchtigen Bereich der „Biohybriden Funktionspolymere“ im Rahmen eines neuen Interfakultären Zentrums für Bioaktive Materie (b-ACT) der Universität Leipzig an. Mit dem Fokus auf eine neuartige nachhaltige, regenerative (Bio-) Materialwissenschaft sollen effiziente biohybride Materialklassen mit kontrollierbaren und evolvierbaren aktiven Eigenschaften geschaffen werden, die elektrisch schaltbare bzw. leitfähige, optisch-stimulierbare oder mechanisch/chemisch aktivierbare (bio-) chemische Funktionseinheiten besitzen und so neuartige „intelligente“ Komponenten  mit Einsatzgebieten von der Optoelektronik über die medizinische Wirkstoffentwicklung bis hin zur Mikro- und Nanorobotik erlauben.

In einem ersten Schritt soll im Zeitraum 04/2021 bis 06/2021 die für den Aufbau der Forschergruppe und des Zentrums erforderliche Infrastruktur optimiert werden. Hierzu sind Investitionen für die Beschaffung von Geräten geplant.

In einem Folgeprojekt sollen dann im Zeitraum 06/2021 bis 05/2025 die für die Gründung und den dauerhaften Betrieb des Forschungs- und Transferzentrums b-ACT / bioFM erforderlichen strukturellen und personellen Voraussetzungen geschaffen werden. Dies schließt insbesondere den Aufbau von professionellen und wettbewerbs-fähigen Governancestrukturen (Geschäftsführung, Verbundkoordination) sowie die Erarbeitung eines nachhaltig tragfähigen Betriebskonzeptes ein. Zudem wird die Gründung des b-ACT / bioFM durch den Aufbau einer interdisziplinären Forschergruppe für das Feld der „Bioaktiven Materie“ gestärkt.

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