Molekulare Nanotechnologie und Biochemie

Mobile Organ-on-Chip Analytics

Die Organ-on-Chip-Technologie ermöglicht die Erforschung komplexer Zellprozesse in Lab-on-Chip-Systemen bei minimalem Zellmaterial. Sie beschleunigt die Wirkstoffentwicklung, erhöht Sicherheit und Kosteneffizienz und reduziert dank humaner Modelle das Risiko des Scheiterns durch Speziesunterschiede. Die Kombination aus Mikrofluidik, 3D-Zellkultur, Spheroiden und Organoiden schafft bereits in-vivo-ähnliche Bedingungen. Aktuell erfordert dies jedoch aufwendige Infrastruktur (z. B. hypoxische Umgebungen), was den Zugang zu hochauflösender, multiparametrischer Analytik (Mikroskopie, Spektroskopie) erschwert.
MOCHA zielt auf eine kompakte, chipbasierte Analyseneinheit, die optische und nicht-optische Verfahren integriert und so ein umfassendes Monitoring ermöglicht. Durch intelligentes fluidisches Design und geeignete Materialkombinationen soll zudem eine Langzeitkultivierung von Spheroiden über Wochen bis Monate gelingen. Dafür wird eine mikrofluidische Plattform entwickelt, die in-vivo-ähnliche Versorgung, kontrollierte Nährstoff- und Gaszufuhr, effizienten Metabolitenabtransport, Interaktionen zwischen Spheroiden und die gezielte Wirkstoffzufuhr gewährleistet. Erarbeitet werden Spheroid-Layouts, Fluidführungs- und Aktuationsmodule sowie Sensorintegrationsschnittstellen. Ergänzend entsteht ein Betriebsgerät für thermische und fluidische Steuerung mit integrierter Sensorik und Echtzeit-Datenauslese über geeignete Schnittstellen.

Laufzeit
07/2024 – 06/2027

MIC-PreCell etablierte am Fraunhofer-Zentrum Erfurt FZE einen Technologie-Hub zur präzisen Qualitätssicherung und Prozesskontrolle in der Herstellung zellbasierter Therapeutika (ATMPs). Unter Leitung der Fraunhofer-Institute IZI (Zelltherapien), IPMS (Mikroelektronik / MEMS) und IOF (Optik / Photonik) werden neuartige, automatisierbare Analyseverfahren entwickelt und in GMP-nahe Workflows überführbar gemacht. Ziel ist es, Herstellungskosten zu senken, Prozessrisiken frühzeitig zu erkennen und die Produktkonsistenz für patientenindividuelle und Off-the-Shelf-Therapien (z. B. CAR T, CAR NK, Stammzellen) zu erhöhen. Der Ansatz adressiert zentrale Engpässe der aktuellen QC: Bisher sind viele Prüfungen zeitversetzt, invasiv und nicht inline-fähig, wodurch Fehler oft erst am Ende teurer Prozesse sichtbar werden. MIC-PreCell schließt diese Lücke mit drei komplementären Technologiemodulen:

• Mechanomik: Echtzeit-Verformbarkeitszytometrie (RT-DC) erfasst markierungsfrei biomechanische Zellparameter als sensitive Funktionsmarker (Aktivierung, Stress, Differenzierung) und ermöglicht Stop / Go-Entscheidungen während der Expansion und Transduktion.
• Volatolomik: GC-IMS-basierte Gasanalytik detektiert flüchtige Metabolite (VOCs) aus Zellkulturen schnell, robust und nicht-invasiv – für Dichte- / Wachstumsmonitoring, Stress- und Kontaminationsnachweise sowie die Optimierung von Kultivierungsbedingungen.
• Mikromanipulation: Eine modulare Probe-Station mit hochauflösender Bildgebung und MEMS-Mikrogreifern / Mikroinjektoren erlaubt präzise Eingriffe und funktionelle Tests an Einzelzellen, Sphäroiden und Organoiden.

Flankierend wird die Zellkulturinfrastruktur am Fraunhofer FZE für komplexe humane Zellen (T- / NK-Zellen, Stammzellen, Tumormaterial) ausgebaut und standardisierte SOPs implementiert. Datenanalyse-Pipelines mit maschinellem Lernen verknüpfen mechanische, metabolische und bildgebende Signaturen zu praxistauglichen QC-Parametern.

Laufzeit
09/2021 – 06/2023

AutoImmunCAR untersuchte die Übertragbarkeit der erfolgreichen CAR-T-Zelltherapie aus der Onkologie auf B zellvermittelte Autoimmunerkrankungen. Aufbauend auf der am Fraunhofer-Zentrum Erfurt (FZE) verfügbaren MIC-PreCell-Infrastruktur und in enger Vernetzung mit dem Mitteldeutschen Krebszentrum (CCC Jena Leipzig) wurden Proof of Concept Ergebnisse für neue Analyseverfahren erzielt, die Interaktionen zwischen T und B Zellen hochauflösend charakterisieren. Ziel war es, ein integriertes Bild aus immunologischen, biomechanischen und metabolischen Parametern zu schaffen, um Aktivierung, Funktion und potenzielle Wirksamkeitsmarker von nativen und CAR transduzierten Immunzellen zu erfassen.

Kernmethoden waren:

• Durchflusszytometrie mit einem maßgeschneiderten Panel (an Klinik-Panel des Universitätsklinikums Leipzig angelehnt) zur Phänotypisierung und Aktivierungsanalyse,
• Echtzeit-Verformbarkeitszytometrie (RT-DC) zur label-freien Erfassung biomechanischer Zellsignaturen,
• Gaschromatographie-Ionenmobilitätsspektrometrie (GC-IMS) zur nichtinvasiven Stoffwechselprofilierung (VOC Analytik).

In einem siebenmonatigen Projektzeitrahmen wurden einfache, aber aussagekräftige Zellmodelle etabliert: Baseline T-Zellen und hyperaktive-B Zellen als Autoimmunitäts-Phänotyp, ergänzt um gemischte T- / B-Zellkulturen. Auf dieser Basis entstanden Referenzprofile ruhender und aktivierter Zellpopulationen (nativ und CAR modifiziert) sowie erste Datensätze zu den Veränderungen nach direkter Zell-Zell Interaktion. Die Kombination aus Oberflächenmarker-Expression (Durchflusszytometrie), mechanischen Eigenschaften (RT-DC) und metabolischen Signaturen (GC-IMS) zeigte das Potenzial, Aktivierungszustände, Stressantworten und funktionelle Unterschiede komplementär und frühzeitig zu erfassen.

Laufzeit
05/2024 – 11/2024

Das Ziel von LIFE KOOP 2024 ist es, den Zusammenhang zwischen Kleinstgerinnseln (Microclots) im Blut und der Gehirngesundheit von Teilnehmenden der LIFE-Adult-Studien zu untersuchen. Dafür werden die Menge, Konzentration und Beschaffenheit von Microclots in vorhandenen LIFE-Adult-Proben aus der Leipzig Medical Biobank (LMB) analysiert und mit Daten aus der LIFE-Datenbank verknüpft. Microclots sind mit Entzündungsmolekülen überladene, unlösliche, sehr kleine Blutgerinnsel, die bei Patient:innen mit schweren Krankheitsverläufen von COVID-19 und Long COVID in Blutkapillaren nachgewiesen werden können. Sie können die Sauerstoff- und Nährstoffversorgung enorm stören und so COVID-assoziierte neurologisch-psychiatrische Symptome wie Muskelschmerzen, Müdigkeit oder Gehirnnebel auslösen. Auch bei Patient:innen mit Typ2 Diabetes, Alzheimer oder Parkinson sind Microclots detektierbar. Der Schwerpunkt des aktuellen Projekts liegt darauf, einen möglichen Zusammenhang zwischen der Microclot-Konzentration im Blut, Kognitionsparametern, sowie der Struktur und Funktion des Gehirns, der durch die Einbeziehung von MRT-Parametern der LIFE-Kohorten weiter spezifiziert werden soll, zu untersuchen. Es wird erwartet, dass Microclots als neuartige blutbasierte Biomarker mit Alterungsprozessen im Gehirn in Verbindung stehen und vaskulär bedingte, neurodegenerative strukturelle und funktionelle Veränderungen im Gehirn vermitteln. Die geplanten Untersuchungen tragen dazu bei, kognitiven Abbau und ein erhöhtes Risiko für Demenzerkrankungen vorherzusagen und besser zu verstehen.

Laufzeit
05/2024 – 12/2027

Das Ziel von Smart-µ-Plate ist die Entwicklung eines schnellen, kostengünstigen Analysesystems für den Bedside-Nachweis spezifischer Biomarker in menschlichen Proben. Miniaturisierte Sensorkomponenten werden mit kundenspezifischen Bioassays und benutzerfreundlicher Hardware zu einer tragbaren Lösung integriert.

Laufzeit
01/2024 – 12/2026

Glyco3Display fokussierte sich auf die Integration synthetisch hergestellter Zucker- / Glykanmoleküle in DNA-basierte Nanopartikel, um hybride Nanostrukturen zu schaffen, die sowohl für diagnostische als auch für therapeutische Zwecke auf Bakterien und Viren abzielen. Zuckermoleküle wie Mannose oder Sialinsäure sind gängige Moleküle für die Erkennung und Bindung zwischen biologischen Organismen, darunter Zellen, Viren und Bakterien. Bei Glyco3Display wurden DNA-basierte Nanogerüste verwendet, um nanometerpräzise Anordnungen von Zuckermolekülen zu erzeugen, die dann zur Bindung von Bakterien wie E. coli verwendet und in verschiedene Systeme zur Erkennung und Analyse der Bindung an verschiedene Bakterien, Viren und zuckerbindende Proteine, sogenannte Lektine, integriert wurden.

Laufzeit
01/2018 – 06/2023

Das Projekt MOTION fokussiert sich auf die Entwicklung von Technologien für zell- und gewebespezifische Nanocarrier. Verschiedene Targeting- Komponenten werden in Nanocarrier aus Lipiden oder amphiphilen Polymeren integriert und dienen dazu, Cargos gezielt an Zielzellen abzugeben.

Laufzeit
07/2022 – 12/2025

In CoronaSense wurden Nanostrukturen aus einer Kombination von DNA-Strängen und Peptiden verwendet, um die Bindung des SARS-CoV-2-Spike-Proteins an Zielproteinsequenzen zu untersuchen. Ein Peptidfragment, das die Bindungsstelle des Spike-Proteins am ACE2-Antigen nachahmt, wurde chemisch an eine DNA-Nanostruktur in einer multivalenten Anordnung konjugiert, die der natürlichen Geometrie des Spike-Proteins ähnelt. Diese DNA-templierte Bindung wurde verwendet, um die Kooperativität zwischen den Untereinheiten des Spike-Proteins während der Bindung zu untersuchen und die Auswirkungen natürlicher Mutationsvarianten zu bewerten, die bei SARS-CoV-2-Infektionen auftreten.

Laufzeit
06/2020 – 05/2021

Das Ziel des AsphyxDX Projekts ist es, bestehende umfangreiche Vorarbeiten auf dem Bereich der Erkennung von Sauerstoffmangel (Asphyxie) bei Neugeborenen in diagnostische Anwendungen zu überführen. Der diagnostische Ansatz basiert auf der Quantifizierung kleiner endogener Stoffwechselprodukte (Metaboliten, Molekulargewicht <1200 Da); diese erfolgt für die Diagnostik dann (unabhängig von Großgeräten wie Massenspektrometer), mittels Nanoporen-basierten, sowie anderen Schnelltests. Dafür sollen neuartige Point-of-Care (PoC)-fähige Testsysteme entwickelt werden. Die Rolle des Fraunhofer IZI besteht darin, funktionalisierte DNA-basierte Nanostrukturen zu entwickeln, die durch spezifische Liganden-Rezeptor-Wechselwirkungen an die ausgewählten Metaboliten binden.

Förderung
Forum Gesundheitsstandort Baden-Württemberg

Laufzeit
06/2020 – 05/2022