Electric sight: Funktionsmessung an biologischen Gewebebarrieren mit zellulärer Auflösung in Organ-im-Chip Plattformen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Iordania Constantinou; Thomas Eduard Winkler, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536023018

Biologische in-vitro Modelle sind essenziell für die biomedizinische und pharmazeutische Forschung. Solche Modelle sind jedoch nur so gut wie die verfügbaren analytischen Methoden. Mit Electric Sight wollen wir eine neue Dimension der Zellfunktions-Analytik einführen, und zwar mittels miniaturisierter Elektrischer Impedanz-Tomographie (MikroEIT). Unser Ziel ist nicht nur die Entwicklung von MikroEIT als Methode für die elektrische Bildgebung mit zellulärer Auflösung, sondern auch deren Kombination mit fortschrittlichen mikrofluidischen in-vitro-Modell-Technologien (Organ-im-Chip; OiC). Insbesondere beabsichtigen wir, unser MikroEIT-OiC zur Untersuchung lokalisierter biologischer Prozesse an der Blut-Hirn-Schranke einzusetzen – sowohl um die einzigartigen Fähigkeiten des Systems zu demonstrieren, als auch um offene Fragen zu Schäden auf Grund von oxidativem Stress zu beantworten. Um EIT jenseits der derzeitigen niedrigen Auflösung (cm bis mm) in den mikroskaligen Bereich zu bringen planen wir eine umfassende Optimierung der Technik; d.h. von Design und Fabrikation der Elektroden-Arrays, zur elektrischen Messmethode, bis hin zu Bildrekonstruktionsalgorithmen. Integriert in ein Organ-im-Chip-Modell der Blut-Hirn-Schranke wird MikroEIT eine markierungsfreie, lokalisierte Überwachung ermöglichen. Selbst bei gesunden biologischen Barrieren bietet dies eine neue Metrik zur Bewertung von Unterschieden zwischen zellulären Modellen – Homogenität der Barriere, statt nur durchschnittliche Integrität. Von größerem Interesse sind natürlich Störungen, z.B. durch oxidativen Stress, einem Merkmal einer Vielzahl von Krankheiten wie Krebs oder Schädel-Hirn-Trauma. Unser Ziel ist es, herauszufinden wie sich verschiedene Arten von oxidativem Stress auf die lokale Integrität der Blut-Hirn-Schranke auswirken; darüber hinaus auch wie solche lokale Schädigung mit der lokalen Transmigration von Immun- oder Krebszellen durch die Barriere korreliert – eine offene Frage, für deren Beantwortung unsere MikroEIT-Methode in einzigartiger Weise geeignet ist. Insgesamt wird Electric Sight unser MikroEIT – in Kombination mit allen typischen Vorteilen von Organen-in-Chips hinsichtlich der in-vivo-ähnlichen Mikroumgebung – als vielseitiges Werkzeug für die markierungsfreie Untersuchung lokaler biologischer Prozesse in vitro etablieren. Die Vorstellung der Leistungsfähigkeit des Systems am Beispiel der lokalen Schädigung und Transmigration wird mit Sicherheit weitere Forschung und Erkenntnisse bezüglich Entzündungen des Nervensystems und Krebs-Metastasen anregen – sowie nicht zuletzt deren pharmazeutischen Vorbeugung und Behandlung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen