Integrierte Organoidanalytik ermöglicht mechanistische Studien in der pharmazeutischen Forschung: Entwicklung, Volatilomics, Single Cell Metabolite/Lipid Fingerprinting und Funktion

• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Biomedizinische Systemtechnik ; Experimentelle Modelle zum Verständnis von Erkrankungen des Nervensystems ; Hämatologie, Onkologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 497984836

Dreidimensionale Zellkulturen und Organoide haben in der pharmakologischen Grundlagen- und Wirkstoffsuchforschung gegenüber herkömmlichen adhärenten Zellkulturen und Tiermodellen an Interesse gewonnen, da sie sich von diesen durch bessere Abbildung physiologischer Parameter bzw. durch die Nutzung menschlicher Zellen abheben und zur Vermeidung von Tierversuchen beitragen. Im vorliegenden Projekt werden Technologieplattformen und Expertisen der Hochschule Mannheim (HSMA) für 3D-Zellkulturen, Fluoreszenz-basierte und markierungsfreie Messverfahren sowie der Bild-, Daten- und Musteranalyse so zusammengeführt und erweitert, dass damit eine High Content Analyseplattform für integrierte Pharmakologie und Toxikologie, Volatilomics, Einzelzell-Metaboliten-/Lipid-Fingerprinting und funktionelle Untersuchungen an 3D-Zellkulturen und Organoiden etabliert werden kann. Diese wird die Erforschung zelltypspezifischer Zusammenhänge zwischen Zellverhalten und Metabolismus ermöglichen. Dafür werden Online- und Endpunktmessverfahren erweitert, mit bestehenden Verfahren integriert und resultierende Daten mit Machine Learning (ML)-Prozessen analysiert. Exemplarisch werden drei 3D-Zellkulturmodelle unterschiedlicher Komplexitätsstufen aus den Bereichen Onkologie und Neurobiologie in Bezug auf Entwicklung, Volatilomics, Einzelzell-Metaboliten-/Lipid-Fingerprinting und Funktion untersucht: 1) ein Zelllinien-basiertes Knochenmetastasemodell, 2) ein patientenabgeleitetes Tumororganoidmodell, 3) ein iPSC-basiertes Modell der Neuromuskulären Synapse. Anhand dieser Kulturen werden molekulare Mechanismen der Tumor-Knocheninteraktion, der metabolischen Abhängigkeit von Tumororganoiden und der Synapsenbildung untersucht. Die zum Einsatz kommenden analytischen Technologien umfassen die Online-Analyse volatiler organischer Komponenten (Volatilomics) gepaart mit Lebendzell-Mikroskopie, Endpunktanalysen mittels massenspektrometrischem 3D-Imaging verknüpft mit Einzelzell-Metaboliten/Lipid- Fingerprinting auf Tröpfchen-Microarrays (TMA), und hochauflösende 3D-Fluoreszenz-Mikroskopie. Die daraus resultierenden mehrdimensionalen bzw. hyperspektralen oder multimodalen Datensätze benötigen umfangreiche automatische und intelligente Auswertungsmethoden basierend auf ML. Aufbauend auf dem vorhandenen Geräte- und Personalbestand erfordert dieser Arbeitsplan zusätzliche Mittel für ein Live-Cell Imaging und Analyse System, ein GC-IMS Gasanalytiksystem mit Kaltplasma-Ionisationsquelle, einen Zelldispenser, einen GPU-Server und 84 PM für WissenschaftlerInnen. Ziele des Projektes sind die Etablierung der zusätzlich notwendigen Technologien und deren Integration mit vorhandenen Technologien für die Bearbeitung und Veröffentlichung der oben genannten wissenschaftlichen Fragestellungen, die Intensivierung der interdisziplinären Zusammenarbeit an der HSMA sowie die Erhöhung der wissenschaftlichen Sichtbarkeit, v.a. in Richtung Universität Heidelberg und Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

• DFG-Verfahren: Großgeräteinitiative
• Großgeräte: GC-IMS ; GPU-Server ; Live Cell Imaging and Analysis System ; Zelldispenser
• Gerätegruppe: 1060 Dilutoren, Pipettiergeräte, Probennehmer ; 1340 Gaschromatographen (außer GC-MS-Kopplung) ; 3100 Immunochemische Bestimmungsgeräte (außer Immunelektrphorese 141) ; 7070 Arbeitsplatzrechner, Personalcomputer
• Antragstellende Institution: Technische Hochschule Mannheim
• Leiter: Professor Dr. Rüdiger Rudolf
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Carsten Hopf; Professor Dr.-Ing. Oliver Wasenmüller; Professor Dr. Philipp Weller