Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mikrogewebe in hängenden Tropfen imitieren Organsystem

30.06.2014

Forschende versuchen dem menschlichen Körpers mit seinen verschiedenen Zelltypen mithilfe von Zellkulturen auf den Grund zu gehen.

Eine an der ETH Zürich neu entwickelte Technologie erlaubt nun, ein den Körper simulierendes Netzwerk aus kugelförmigen Mikrogeweben in hängenden Tropfen zu erzeugen und damit Wirkstoffe unter realitätsnahen Bedingungen zu testen.


Forschende schalten Mikrogewebe in Reihen sinnvoll hintereinander und können so unterschiedliche Konzentrationen von Substanzen testen. (Bild: Olivier Frey / ETH Zürich)


Dank speziellem Zuleitungssystem können die Forscher in jeder Tropfenreihe eine andere Konzentration einer gewünschten Substanz anlegen. (Bild: Olivier Frey / ETH Zürich)

Wissenschaftler verwenden standardmässig Zellkulturen, um Wirksubstanzen oder Gifte zu testen. Bis anhin dominieren zweidimensionale Zellkulturen auf flachen Substraten, was gewichtige Nachteile hat: Zellschichten auf Oberflächen sind sowohl in ihrer Morphologie als auch in ihrem Stoffwechsel anders als Zellen im lebenden Organismus, wo dreidimensionale Strukturen vorherrschen.

Forschende entwickelten deshalb Hanging-Drop-Plattformen: anstatt in flachen Schalen kultivieren sie Zellen in regelmässig angeordneten hängenden Tropfen aus Nährlösung. In diesen formieren sich die Zellen zu kugeligen Mikrogeweben, sogenannten Sphäroiden von rund einem halben Millimeter Durchmesser.

Die Oberflächenspannung der Flüssigkeit hält den Tropfen in hängender Position und umschliesst das Sphäroid. Innerhalb des Tropfens stehen die Zellen untereinander in intensivem Kontakt und können miteinander kommunizieren. Morphologie und Verhalten kommen realen Zellformen sehr nahe. Herzzellen beginnen zum Beispiel rhythmisch zu schlagen, nachdem sie sich zu einem Sphäroid zusammengeschlossen haben.

Tropfen verknüpft

Der ETH-Forscher Olivier Frey aus der Gruppe von Andreas Hierlemann, Professor für Biosystems Engineering am Departement Biosysteme (D-BSSE), entwickelte nun aus einer Plattform von isolierten hängenden Tropfen ein Netzwerk von untereinander verknüpften Tropfen. Dabei verband er diese gitterartig mit feinsten Kanälen. Dank dieser Kanäle sind die Sphäroide oder Mikrogewebe in den einzelnen Tropfen über Flüssigkeitsströme miteinander verbunden, sodass die Gewebe wie in einem lebenden Organismus miteinander kommunizieren können.

Die Tropfen werden fortlaufend mit Nährlösung versorgt, die über eine Pumpe in die Kanäle eingespeist wird. Ein Kragen am Kanalrand verhindert, dass Flüssigkeit aus dem Kanal austritt und die Plattform überschwemmt. Die Zufuhr der Nährlösung erfolgt so, dass die Tropfen gleich gross bleiben. Würde zu viel Lösung hineingepumpt, würden sie herunterfallen. Dies hat es Frey erlaubt, das System ohne luftdichten Deckel zu konzipieren, was Fabrikation und Betrieb der neuen Plattform stark vereinfacht. Die Zellkulturen müssen aber wie bisher in einem Brutkasten unter kontrolliert hoher Luftfeuchtigkeit aufbewahrt werden.

Body-on-a-chip-Vision verwirklicht

Über Zuleitungen können die Forscher dem System auch zu testende Wirkstoffe in bestimmten Konzentrationen zuführen. Durch die Anordnung dieser Zuleitungen, der Kanäle und der Tropfen können von Reihe zu Reihe unterschiedliche Wirkstoffkonzentrationen erzeugt werden, so dass, über die gesamte Plattform betrachtet, ein Konzentrationsgradient entsteht.

In diesem System, das eben in Nature Communications vorgestellt wurde, können die D-BSSE-Forschenden in einem Arbeitsgang mehrere Sphäroide verschiedener Zelltypen in Reihenfolgen anordnen, wie sie im Körper vorkommen, und verschiedenen Konzentrationen einer Substanz aussetzen. Dadurch können die Wissenschaftler ein Multiorgansystem auf einer Platte realitätsnah nachstellen. «Damit haben wir ein Body-on-a-chip -System auf relativ einfache Weise verwirklicht», freut sich Frey, der zwei Jahre lang an dieser Testplattform gearbeitet hat.

Leberzellen mit Krebszellen verbunden

Erste Tests an Leberzell- und Krebszellsphäroiden sind vielversprechend verlaufen. Frey und seine Mitarbeiter bestückten in einer Reihe drei Tropfen mit Leberzellen, den nachfolgenden vierten mit Krebszellen. Nachdem sich die Zellen in Sphäroiden organisiert hatten, leitete er ein Zytostatikum, also eine Substanz, die das Zellwachstum hemmt, in jeweils verschiedenen Konzentrationen pro Reihe in die Testanordnung ein.

Der verwendete Wirkstoff tötet Krebszellen nur dann ab, wenn ihn Leberzellen vorher aktivieren. Diesen Effekt konnten die Forscher rekonstruieren. Gleichzeitig beobachteten sie, ab welcher Konzentration das Gift auf die Krebszellen wirkt und ab wann auch die Leberzellen darunter zu leiden beginnen. Fehlten im mikrofluidischen System die Leberzellen, hatte das Medikament in den entsprechenden Konzentrationen wie erwartet keine Wirkung auf die Krebszellen.

System zum Patent angemeldet

Frey und Kollegen haben ihre neue Testplattform zum Patent angemeldet. Diese ist relativ einfach und günstig mit einem Replikationsverfahren herzustellen. Dazu braucht es eine Negativform aus Silizium, die im Reinraum hergestellt wird. Danach können mit einem Polymer billige Abgüsse davon gemacht werden. Für grosse Stückzahlen kann auch ein Spritzgussverfahren verwendet werden, in welchem die Stücke nur wenige Rappen kosten. Die Herstellung der Mikrogewebe für die Plattform entwickelten die Basler Forscher in Zusammenarbeit mit der Firma InSphero, einem Spin-off des D-BSSE.

Interessenten dafür dürften unter anderem Pharmafirmen sein, die neue Wirkstoffe auf Wirksamkeit und unerwünschte Nebenwirkungen überprüfen möchten. Das neue System lässt dies auf schnelle, flexible und unkomplizierte Weise zu. In einem weiteren Schritt möchten die Forscher ihre Plattform mit Sensoren ausstatten, die Stoffwechselprodukte in den Tropfen messen können. Dadurch sollte es möglich sein, laufend Daten auszulesen. Die Sensoren messen beispielsweise Laktat oder Glukose. «Die Chip-Fabrikation dürfte durch die Sensorintegration zwar etwas aufwendiger werden, dafür liefert uns eine solche Plattform deutlich mehr Information», sagt Andreas Hierlemann.

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2014/06/organsyste...

Peter Rüegg | ETH Zürich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut
20.10.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Aus der Moosfabrik
20.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise