ComplexEye - ein Array-Mikroskop für die gleichzeitige Zeitraffer-Videomikroskopie in 96/384 Well-Platten, das Einzelzellanalysen mit hohem Durchsatz von schnell wandernden Zellen ermöglicht

• Antragsteller: Jianxu Chen, Ph.D.; Professor Dr. Anton Grabmaier; Professor Dr. Matthias Gunzer
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik ; Immunologie ; Künstliche Intelligenz und Maschinelle Lernverfahren
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554888774

Das Ziel dieses Vorschlags ist der Bau von ComplexEye, einem innovativen neuen Mikroskop. Es bildet die Grundlage für eine bahnbrechende Technologie, die die Möglichkeiten der Hochdurchsatzanalyse von Zellwanderungen und -bewegungen als neuartigen Ansatz für das Screening von Arzneimitteln und die Frühdiagnose von eskalierenden Immunreaktionen freisetzt. Die schnelle Migration von Zellen, insbesondere von Immunzellen wie Neutrophilen, ist von zentraler Bedeutung für die Entwicklung und die Homöostase des Körpers, aber auch für die Entstehung lebensbedrohlicher Krankheiten wie Sepsis und Krebs. Die Grundlagen der Zellmigration gehören zu den am besten untersuchten Prinzipien in der Biomedizin. Dennoch wird die Motilität von Immunzellen nicht als Messgröße für die Diagnostik oder als Ziel für neuartige Arzneimittel (Migrationsmodifikatoren) verwendet, da es an Instrumenten für die HT-Verfolgung schnell wandernder Zellen fehlt, um die Motilität routinemäßig in einem klinischen Umfeld zu messen oder Migrationsmodifikatoren zu identifizieren. Nach dem Vorbild des Arthropodenauges werden wir ein hochgradig parallelisiertes Mikroskop realisieren. Dünne Linsen, die unter einzelne Vertiefungen von 96-Well-Platten passen, werden mit individueller Beleuchtung und Bilddetektion kombiniert, um eigenständige Videomikroskope zu bilden. Ein Array von 96 Mikroskopen nimmt gleichzeitig 96 oder 384 Filme von wandernden Zellen pro High-Density-Platte auf. Durch die Echtzeitverfolgung einzelner Zellbewegungen und -formen durch eine eingebettete künstliche Intelligenz während der Filmaufnahme wird ComplexEye Migrationsdaten liefern, die über 100-mal schneller sind als jede derzeitige Technologie, wodurch die Migration von Immunzellen zum ersten Mal für die HT-Analyse zugänglich wird. Dies wird es ermöglichen, (A) Substanzbibliotheken nach Substanzen zu durchsuchen, die die Migration von Neutrophilen zu Tumoren oder sterilen Entzündungsherden modulieren können, (B) Substanzen auf potenzielle Toxizität für sich bewegende Zellen zu untersuchen (visuelle Toxizität) und (C) die spontane oder stimulierte Migration von Neutrophilen aus dem Blut von Patienten mit Sepsisrisiko zu messen. Die Erkennung migrationsbasierter Frühwarnzeichen für eine sich entwickelnde Gesundheitskrise verschafft den Ärzten wertvolle Zeit für ein Eingreifen und rettet letztlich das Leben der Patienten. Die Analyse anderer wandernder Immunzellen wird in Zukunft das "Migrom" als bahnbrechenden neuen Screening-Parameter zur Verfügung stellen und einen Paradigmenwechsel in der Krankheitsüberwachung und Arzneimittelentwicklung bewirken. Im Rahmen dieses Projekts werden sowohl das komplette Mikroskop mit 96 Linsen als auch die Software für das Zelltracking in Echtzeit entwickelt und ihre Leistungsfähigkeit an realen Beispielen aus einem Labor der biomedizinischen Grundlagen- und Anwendungsforschung getestet. Außerdem werden die grundsätzlichen Anforderungen für die Realisierung von Fluoreszenz getestet.

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung
• Beteiligte Institution: Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften -ISAS- e.V.; Abteilung Biospektroskopie