Biomolekulare Sensorplattform zur Aufklärung hypoxischer Signaturen in 2D- und 3D-In-vitro-Kultursystemen

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Antonina Lavrentieva
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398007461

Der vorliegende Antrag ist als Folgeprojekt von „3D Zwei Gradienten Systeme für funktionelle Zelltestung“ geplant. Ziel des Folgeprojektsist die Schaffung einer biomolekularen Sensorplattform zur Aufklärung hypoxischer Signaturen in 2D- und 3D-In-vitro-Kultursystemen. Im Rahmen der ersten Projektphase wurden humane mesenchymale Stammzellen (MSCs) mit genetisch codierten Hypoxiesensoren zur Charakterisierung von Gradientenhydrogelen erfolgreich modifiziert. Es wurde erwartet, dass die modifizierten Zellen qualitative Ja/Nein Informationen über Hypoxie liefern würden. Es konnte allerdings beobachtet werden, dass Reporter-MSCs auch auf verschiedene O2 Werte sensitiv reagieren. Die Intensität der Sensorfluoreszenz korrelierte eng mit den verfügbaren O2 Konzentrationen. Daraus folgt, dass Reporterzellen (RZ) zusätzlich zu Informationen über das Vorhandensein von Hypoxie auch quantitativ den Schweregrad der Hypoxie anzeigen. Die erste Phase des Folgeprojekts baut auf diesen Arbeiten auf und fokussiert sich auf die Modifikation zusätzlicher Zelltypen mit genetisch programmierten Hypoxiesensoren und die Untersuchung ihrer „hypoxischen Signaturen“ in verschiedenen 3D Systemen. Hiermit soll erstmalig der Nachweis kritischer Größen und Zelldichten für 3D-Konstrukte für verschiedene Zelltypen ermöglicht werden. In Vorarbeiten konnte mittels modifizierter Chondrozyten hypoxische Reaktion bei deutlich geringeren O2 Konzentrationen als MSCs nachgewiesen werden. Dies zeigt, dass verschiedene Zelltypen unterschiedliche Anforderungen an die Sauerstoffverfügbarkeit haben. Chondrozyten und Endothelzellen sind neben MSCs die meist verwendeten Zelltypen in der bioregenerativen Medizin. Neurale Vorläuferzellen werden für Zelltherapien sowie als 3D-In vitro-Modelle bei degenerativen Erkrankungen verwendet. Das Projekt soll dazu beitragen, die Vitalität und Funktionalität von Zellen in 3D-Konstrukten besser zu verstehen und zu optimieren.Die Fluoreszenz der RZ und die O2 Konzentrationen werden online überwacht. Für Messungen der O2 Konzentration werden nicht-invasive optische Sensoren verwendet. Eine Fluoreszenzbildanalyse wird entwickelt, umeine direkte Vorhersage über die O2 Konzentrationen zu ermöglichen. Die Hypoxie löst Glykolyse aus und das resultierende Laktat kann zu einem kritischen Abfall des pH-Werts führen. Bei Hypoxie erhöhen Zellen die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), was zu oxidativem Stress und nachfolgenden DNA-Schäden führen kann. In der dritten Phase werden die Zellen mit neuartigen pH- und ROS-Biosensoren modifiziert und die pH-Verschiebung sowie die ROS-Produktion für 3D-Systeme unter Hypoxie überwacht. Insgesamt soll das Folgeprojekt wichtige Informationen über das Auftreten von Hypoxie in 3D-In-vitro-Systemen bei verschiedenen Zellen liefern. Die RZ, die in diesem Projekt erstellt wurden, werden auch ein innovatives Toolkit für weitere Anwendungsbereiche (Bioprinting, Modellierung von Krankheiten) darstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Russische Föderation
• Kooperationspartner: Professor Vsevolod Belousov, Ph.D., bis 3/2022; Professor Nicholas Forsyth, Ph.D.