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Next Generation Organ-on-Chip – 3D-Zellkultur heterogener Tumore bei voller online-Kontrolle mittels elektrochemischer on-chip-Sensorik

Kurzfassung

Personalisierte Chemotherapie rückt in Reichweite: Diese Weiterentwicklung eines Organ-on-Chip-Systems ermöglicht die dezidierte online-Kontrolle der Kulturbedingungen sowie die in-situ-Analyse der interzellulären Kommunikation einer dreidimensionalen, heterogenen Zellkultur.

Hintergrund

Im Bereich der Tumor-Therapeutika ist der Anteil der Patienten, die auf gängige Präparate und Verfahren nicht oder nicht in gewünschter Weise ansprechen (sog. Non-Responder) besonders hoch. So verwundert es kaum, dass gerade in diesem Bereich seit einigen Jahren viel Entwicklungsarbeit in individuell passendere Arzneimittel, die sog. personalisierte Chemotherapie investiert wird. Die Analyse von pharmakologischen Komponenten und deren Wechselwirkungen mit aus patienteneigenen Stammzellen gezüchteten Tumornachbildungen bietet hier eine enorme Chance – aber auch neue Herausforderungen für Technologie und Anwender.

Problemstellung

Die Integration von Mikrosensoren in 3D-Zellkultursysteme stellt eine Herausforderung dar. Matrix-basierte Kulturen müssen zuverlässig eingebettet und über Mikrofluidik verbunden werden. Zusätzlich zu optischer Inspektion durch Mikroskopie oder Zellfärbung eigenen sich besonders elektrochemische Sensoren für die exakte und kontinuierliche Überwachung von Stoffwechselparametern. Es fehlt derzeit allerdings an einer Möglichkeit, den Stoffwechsel innerhalb einer Matrix-basierten 3D-Zellkultur in seinen Einzelheiten in mikromolaren Konzentrationsbereichen und einer zeitlichen Auflösung im Sekundenbereich beobachten zu können.

Lösung

In einem Projekt der Professur für Sensoren des Instituts für Mikrosystemtechnik an der Universität Freiburg, in Kooperation mit der Uniklinik der RWTH Aachen, entstand mit Unterstützung der Baden-Württemberg Stiftung gGmbH im Rahmen des Projektes MEMONO ein optimiertes Monitoringsystem für die 3D-Zellkultur – gasdicht und mit elektrochemischen Mikrosensoren ausgestattet.

Mit diesem System ist eine kontinuierliche Überwachung der Stoffwechselparameter Sauerstoff, Glucose und Lactat möglich.  Einzelne patienteneigene Stammzellen werden in mindestens zwei miniaturisierte Kompartimente eingefüllt, wo sie dann in einer Gel-Matrix eingebettet zu Tumor-Organoiden wachsen. Die Kompartments befinden sich auf dem Sensorchip aus Glas, auf den eine Mikrofluideinheit aufgesetzt wird. Spezielle Barriere-Strukturen begrenzen die Kompartments, steuern die Befüllung und erlauben eine diffusionsbasierte Kommunikation zwischen den Organoiden. Über Mikrokanäle können die Kompartments gezielt mit Nährstoffen versorgt, bzw. auch Konzentrationsgradienten eingestellt werden. In den Boden des Chips eingebettete elektrochemische Mikrosensoren erfassen kontinuierlich relevante Parameter, sodass Zellmetabolismus und Kulturbedingungen online verfolgt und in Echtzeit analysiert werden können. Neben der Option die Zellen nach abgeschlossenem Prozess für eine weitergehende Analyse zu entnehmen, sind auch im laufenden Prozess Entnahmen von kleinsten Medien-Proben über die Mikrokanäle möglich.

In ersten Labormustern des Systems konnten Brustkrebs-Stammzellen und tumorinduzierte Fibroblasten bereits erfolgreich kultiviert und ihre Interaktion untersucht werden.

Bild 1: Schematische Sicht auf den Chip. Die Organoide in den Kompartimenten werden über Mikrokanäle versorgt. Diese sind mit Sensoren zur Überwachung des Zellmetabolismus ausgestattet. [Bild: Dr. A. Weltin, Professur für Sensoren, Universität Freiburg]
Bild 1: Schematische Sicht auf den Chip. Die Organoide in den Kompartimenten werden über Mikrokanäle versorgt. Diese sind mit Sensoren zur Überwachung des Zellmetabolismus ausgestattet. [Bild: Dr. A. Weltin, Professur für Sensoren, Universität Freiburg]
Bild 2: Fotos des Sensorchip-Prototyps mit fluidischen Strukturen und Mikroelektroden, elektrischer Verbindung und mit Tumor-Organoiden befülltem Zell-Kompartiment. [Bild: Dr. A. Weltin, Professur für Sensoren, Universität Freiburg]

Vorteile

  • Kontinuierliche in-situ Messung von Kulturbedingungen und Stoffwechselparametern in heterogener 3D-Kultur
  • Gerichtete Nähr- und Wirkstoffversorgung
  • Gezielte Kommunikationsunterbindung/ -hemmung möglich
  • Gezielte Zustandsänderungen zur Simulation von bspw. Hypoxie
  • Mikroskopierbar und für optische Messverfahren geeignet
  • Beprobung online sowie final zur externen Analyse
  • Robuster Befüllvorgang mit handelsüblichen Laborpipetten

Anwendungsbereiche

Die Standardisierung von 3D-Zellkultur kann hiermit vorangetrieben werden. Neben den Analysen von Brust-, Eierstock-, Leber-, oder Hirntumoren lassen sich mit diesem 3D-Tumor-Organoid-System praktisch beliebige matrixbasierte 3D-Zellkulturen modellieren. Pathologische und physiologische Zustände von Organen lassen sich ebenso abbilden, wie zytotoxische bzw. systemisch toxische Untersuchungen. Insbesondere eignet sich das System zur Wirkstoffanalyse für die personalisierte Medizin bzw. speziell die individualisierte Tumor-Behandlung.

Publikationen und Verweise

Dornhof, Johannes; Kieninger, Jochen; Muralidharan, Harshini; Maurer, Jochen; Urban, Gerald A.; Weltin, Andreas (2022). Microfluidic organ-on-chip system for multi-analyte monitoring of metabolites in 3D cell cultures. Lab on a Chip, vol. 22, pp. 225-239.
DOI: 10.1039/d1lc00689d.

Exposé
Kontakt
Dr. Dirk Windisch
TLB GmbH
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Telefon +49 721-79004-0
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Entwicklungsstand
Labormuster / Validierung / TRL 4
Patentsituation
PCT/EP 2021076162 anhängig
Referenznummer
20/013TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.