Präzise akustische Zellmanipulation in sphärischen mikrofluidischen Kammern zur Zellfunktionsanalyse

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Hayden
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik ; Akustik ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 562496419

Krebs ist die am schnellsten wachsende chronische Krankheit in der alternden Gesellschaft. Tierversuche sind der Goldstandard in der präklinischen Krebsforschung. Präklinische Tiermodelle sind in der Krebsforschung unverzichtbar, aber aufgrund der genetischen und epigenetischen Heterogenität menschlicher Krebserkrankungen unvollkommen und verzerrt. Um Tierversuche zu reduzieren,auch aufgrund ethischer Überlegungen, wird die Suche nach alternativen In-vitro-Modellen immer wichtiger. Die wichtigsten Modelle zur Untersuchung der Immuntherapie basieren auf 2D- oder Mausmodellen, die verschiedene Nachteile aufweisen. Zum einen können 2D-Kulturmodelle die natürliche 3D-Gewebsmorphologie nicht nachahmen Zum anderen unterscheidet sich das Immunsystem von Mäusen stark vom menschlichen. 2D-Zellkulturen und Mausmodelle können daher nicht den Fortschritt der personalisierten Medizin hervorrufen. Angesichts der zunehmenden Bedeutung von Immuntherapien, wird eine bessere Lösung benötigt. Herkömmliche 3D-Zellkulturen können die Mikroumgebung des Tumors sehr gut nachahmen. Tumororganoid-Kulturen sind jedoch nur für wenige Krebsarten etabliert, und ein nicht reproduzierbares und standardisierbares Verfahren. Die Mikrofluidik und Lab-on-a-Chip-Technologien ermöglichen 3D-Zellkulturen, schnelles Prototyping und die Integration automatischer Arbeitsabläufe, die für die Prüfung der therapeutischen Wirksamkeit mit Patientenproben nützlich sein könnten. Ein funktionelles Verständnis des Tumors ist für eine optimale Therapieentscheidung der Ärzt:innen entscheidend. Daher ist es notwendig, Systeme zu entwickeln, die eine robuste Nachahmung der zellulären Mikroumgebung in vitro auch mit primären Zellen von Patienten ermöglichen. In-vitro-Zellmodelle treffen nach wie vor auf einer geringen klinischen Akzeptanz, obwohl es sich hauptsächlich um Nischenanwendungen handelt, die durch Kosten, Durchsatz und Zeit bis zum Vorliegen von Ergebnissen bestimmt werden. Die bisher berichteten Ergebnisse in der Akustofluidik basieren hauptsächlich auf rechteckigen 2D-Kanälen zur Zellseparation und stochastischen Zellaggregation. Die 'CellLEGO'-Akustofluidik-Plattform konzentriert sich auf die Etablierung eines markierungsfreien 3D-Modellierungssystems ohne Zellwandkontakte, das einen kontinuierlichen Perfusionsworkflow ermöglicht und Möglichkeiten für Mikro-Zell-Zell-Interaktionsstudien in 3D eröffnet, die weit über den Stand der Technik hinausgehen. Unser System ist unabhängig von der Zellmigration über Tage hinweg und kann so die Testzeit für Zell-Zell-Interaktionen um eine Größenordnung reduzieren. Um ein solches 3D-, wandkontaktfreies, deterministisches und präzises Einfangen von Zellen zu erreichen, schlagen wir die Verwendung von akustischer Fokussierung in mikrofluidischen Resonanzkavitäten als eine Art funktioneller Objektträger vor, der eine kontrollierte Rotation und mikroskopische Zellinspektion zu jeder Zeit unter konstanten Perfusionsbedingungen ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Dr. Shilpi Pandey