Mikrofluidisches Positionieren von 3D Sphäroiden in mikrofluidischen Reaktionssystemen für die Echtzeit-Biosensorik von Wirkstoffen aus der Fließ-Chemie

• Antragsteller: Dr. Heinz-Georg Jahnke, seit 1/2020
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251124697

Gegenstand des Forschungsprojektes der zweiten Förderperiode wird die Kombination eines 3D Organoid-basierten multiparametrischen Echtzeit-Monitorings der biologischen Aktivität sowie die Adaptation des mikrofluidischen Lab-on-Chip-Designs (1. Förderperiode) sein. Die Ankopplung einer inline-Echtzeitanalytik unter Berücksichtigung eines hohen Maßes der Umgebungskontrolle für das bioelektronische Messen der Physiologie komplexer 3D-Zellaggregate unter mikrofluidischen Bedingungen wird die zentrale Herausforderung sein. Während der ersten Förderperiode konnten wir erfolgreich die Entwicklung und Etablierung eines schnellen, sensitiven Echtzeit-Analytik-Systems basierend auf vitalen 2D Zell-Monolayer für ein impedimetrisches Monitoring biologischer Aktivität chemisch synthetischer Edukte und Produkte demonstrieren. Infolge wird nun das mikrofluidische Positionieren auf dem Chip von 3D Organoiden wie z.B. organotypischer Kardiomyozyten-Cluster, die mehr die in vivo Situation repräsentieren, im Fokus der Forschung stehen. Die Wirkstofffindung und -testung erfolgt auf einem Mikrofluidik-Chip bestehend aus zwei Ebenen (a) für das Mikrosynthese-Areal, das Mikro-Frei-Fluss-Elektrophorese-Bett und die Mikrokanäle zur Anknüpfung an 3D-Mikrokavitäten-Elektroden-Arrays im Multi-well-Format, und (b) auf der zweiten Ebene Mikrokanäle zur Positionierung der 3D-Zellmodelle. Die neuartigen Mikrokavitäten-Array-Strukturen (Länge 200 bis 400 µm, tiefe 130 bis 330 µm) mit multiplen Elektroden pro Kavität werden im Borosilikatglas unter Einsatz der innovativen selektiven Laser-Ätz-Technologie gefertigt. Diese auf dem multimodalen Mikrofluidik-Chip integrierten Mikrokavitätenstrukturen werden auf einem Multiplexer-Hybrid-Elektronik-Board (basierend auf dem Multiplexer-Impedanz-Board der ersten Förderperiode) kontaktiert. Für das synchrone multimodale Messen biologischer Zielstrukturen, wird deshalb das Elektronik-Board durch Integration einer elektronischen Einheit für die zusätzliche synchrone Feldpotenzialableitung erweitert bzw. weiterentwickelt. Das erweiterte multimodale Messsystem wird dann aus einem Mikrocontroller basierten Schaltelement bestehen, um synchron via Impedanzspektroskopie, Feldpotenzialableitung und Photonik 3D Kardiomyozyten-Cluster unter mikrofluidischen Bedingungen bezüglich ihrer Physiologie, biomechanischen sowie elektrophysiologischen Eigenschaften in Echtzeit analysieren zu können. Somit wird eine konsequente Erweiterung und fortschreitende Entwicklung des in der ersten Förderphase entwickelten mikrofluidischen Chips für zunächst 2D Zellmodelle hin zu einem neuartigen Modul für das Positionieren von 3D Organoiden für ein inline-Live-Monitoring avisiert.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2177: Integrierte chemische Mikrolaboratorien (In-CheM)
• Großgeräte: 384-Kanal-Hochgeschwindigkeits-elektrophysioloige Datenerfassungsmodul
• Gerätegruppe: 3420 Elektrokardiographen
• Ehemalige Antragstellerin: Professorin Dr. Andrea A. Robitzki, bis 1/2020