Forschungsprojekte

Neoterische Biomaterialien für die überwachte Differenzierung von hiPSCs zu RGCs: Herstellung, Mikrofabrikation & Mikrofluidik

Teilprojekt 7: Entwicklung einer opto-bioelektronischen Mikrofluidik-Plattform für das markierungsfreie Differenzierungs-Monitoring

Für die Stammzell-Kultivierung und Stammzelldifferenzierung werden bisher in der Regel einfache statische 2D-Kultivierungssysteme eingesetzt. Um die für Anwendungen wie den zelltherapeutischen Einsatz von z.B. humanen Stammzell-abgeleiteten retinalen Ganglienzellen (RGC) immer wichtiger werdende Ressource zukünftig in notwendiger, reproduzierbarer Qualität und in ausreichenden Mengen herstellen zu können werden sowohl neue xenogenfreie synthetische Polymere und Biopolymere für Kultivierungsstrukturen in 2D+ und 3D Zellkultursystemen dringend benötigt. Im Rahmen von bioMAT4EYE ist es daher das Ziel optimale und neuartige Strategien für die Herstellung von Polysaccharid-Hydrogelen, enzymatische und umweltverträgliche chemische Verfahren zur Modifizierung der Oberflächen von Materialien/Strukturen zu entwickeln und Formulierungen dieser Materialien mit Chitosan als Grundlage für neuartige Biotinten für den Einsatz in Bioreaktoren zu realisieren.
Einhergehend mit der Entwicklung von komplexen 2D+ und 3D-Kultivierungssystemen ist insbesondere bei über Wochen und Monate andauernden Differenzierungs- und Reifungsprozessen (z.B. neuronalen Zellkulturen) das kontinuierliche, nicht-invasive funktionale Monitoring und die aktive Kontrolle der Zellumgebung sinnvoll und notwendig. Hierfür eignen sich vor allem dynamische, das heißt (mikro)fluidische Kultivierungsformen. Die Kultivierung unter mikrofluidischen Bedingungen haben gezeigt, wie wichtig dies für die Axonbildung im Rahmen der Differenzierung zu Neuronen, einschließlich RGCs, ist. In diesem Kontext sind neuartige Mikrobioreaktoren mit integrierten chemischen und physikalischen Sensoren von entscheidender Bedeutung, die sowohl unter inerten als auch biologisch relevanten Bedingungen (bei der Arbeit mit hiPSCs und RGCs und während des Differenzierungsprozesses) eingesetzt werden sollen.
Das Teilprojekt der Universität Leipzig ist hier federführend bei der Erreichung der Projektziele „Implementierung fortschrittlicher Mikroelektroden-Array-basierter Sensoren in statischen und dynamischen Kultursystemen", um die Differenzierung von hiPSCs zu RGCs zu erleichtern sowie markierungsfrei in Echtzeit verfolgen zu können. Darüber hinaus ist das Teilprojekt der Universität Leipzig wichtiger Partner bei der Durchführung von Modellierung, Simulation und physikochemischen Tests der entwickelten Strukturen und Kultivierungssysteme unter mikrofluidischen Bedingungen.

• Impedimetrisches Monitoring in mikrofluidischen Reaktionssystemen zum Nachweis niedermolekularer Wirkstoffe im Fluss
• Mikrofluidisches Positionieren von 3D Sphäroiden in mikrofluidischen Reaktionssystemen für die Echtzeit-Biosensorik Flow Chemistry abgeleiteter Wirkstoffe
• Forstgeschrittene Technologien für Mikrosysteme – Neuartige 3D_Mikrofluidiksysteme mittels selektivem Laser-Ätzen auf Glassubstraten

Unsere Teilprojekte im Rahmen der DFG-Forschergruppe 2177 InCheM bedienen sich der Impedanz-basierten Bioanalytik auf vitalen Zellmodellen unter mikrofluidischen Bedingungen auf Lab-on-a-Chip-Systemen. Auf einem derartigen Mikrofluidik-Chip kann der Nachweis niedermolekularer Verbindungen im Durchfluss im Echtzeit-Modus erfolgen. Derartige Mikrofluidik-Chips enthalten Mikroreaktoren, Mikrofreiflusselektrophorese-Areale, Mikrokanal- und Mischerstrukturen sowie Mikroelektrodenarrays für die zellbasierte Analytik. Das Gesamtsystem ist in der Lage, kontinuierlich niedermolekulare Reaktionsprodukte aufzutrennen, organische Lösungsmittel abzutrennen und die Syntheseprodukte direkt im Zell-basierten Mikroelektrodenarray zu testen. Es handelt sich also um ein miniaturisiertes Labor, in dem erstmals chemische Synthese, Proteinaufreinigung und die Detektion der biologischen Funktion auf kleinstem Raum integriert sind. Vom Gesamtsystem werden Forscher profitieren, die Wirkstoffe entwickeln und bioaktive Leitsubstanzen schnell und sicher auf Wirksamkeit hin prüfen wollen.

Die Projekte werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Plattform zum Hochdurchsatzscreening für elektrochemisch aktive Mikroorganismen und von Enzymen für die effiziente und langzeitstabile Biokatalyse

Für die Produktion von pharmakologischen Wirkstoffen, Aromen und Lebensmittelzusätzen sowie anderen chemischen Erzeugnissen werden stetig neue Herstellungsprozesse etabliert. Dabei sind insbesondere biotechnologische und hier auch elektrobiotechnologische Prozesse interessant, da diese Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit verbinden. Dafür werden standardmäßig Kandidaten für Ausgangsstoffe, Reaktionsbeschleunigung, Parametrierung usw. durchmustert / gescreent.

Eine wesentliche Hürde bei der Entwicklung und dem Transfer in die industrielle Forschung und Entwicklung ist die unzureichende Parallelisierung der Durchmusterung (Screening) möglicher Enzyme und Mikroorganismen für die Elektrobiotechnologie und von Enzymen für den Abbau von Kunststoffen.

Das in PHeaMO+EZ zu entwickelnde Gerät wird erstmalig eine Vielzahl von Anwendern im akademischen und industriellen Umfeld die lange gewünschte, gezielte und effiziente Untersuchung und Entwicklung elektrobiotechnologischer Verfahren ermöglichen. Der speziell für die Elektrobiochemie entwickelte Reaktionseinsatz kann zudem als Modul für das Screening / Qualitätskontrolle von kunststoffabbauenden Enzymen durch die Kombination von Potentiostaten und Impedanzanalyse angeboten werden. Dies wird durch einen hohen Parallelisierungsgrad bei geringem apparativem Platzbedarf im Vergleich mit Einzelsystemen erreicht. Hinzu kommt die Integrierbarkeit in Laborroutinen durch die direkte Umsetzung einer automatisierten Datenverarbeitung und damit einer Integration in Steuer- und Regelkreisläufe im Vergleich mit parallelisierten Einzel-Potentiostaten, was die Anwendung einem breiten Nutzerkreis zugänglich macht. Das Projekt wird somit einen maßgeblichen Beitrag dazu leisten können, bioelektrokatalytische und andere auf elektroaktiven Mikroorganismen und Enzymen basierende industrielle Prozesse großflächig verfügbar zu machen und damit dringend benötigte Maßnahmen für die ökonomischen und geostrategischen Herausforderungen der heutigen Zeit ermöglichen.

Stammzell-basiertes in-vitro-Werkzeug zur differenzierten Präzisionsdiagnostik und Therapieentwicklung für Herzerkrankungen

Das Projekt CardioEpiX bietet eine Lösung zur präzisen Patienten- und Krankheitsbild-differenzierten in-vitro Diagnostik von verschiedenen Formen von Vorhofflimmern. Die Basis dafür stellen Patienten-spezifische induzierte pluripotente Stammzellen (iPS)-abgeleitete Kardiomyozyten (Ps-iPS-CM) in einem neuartigen multiparametrischen elektrophysiologischen Messsystem dar. Es wird ein Werkzeug geschaffen, das erstmalig eine frühzeitige, differenzierte und präzise Erkennung auch asymptomatischer Verläufe auf Basis von Patienten-spezifischen Zellen ermöglicht und so den Grundstein für Präventivmaßnahmen und im Bedarfsfall eine gezielte Therapie legt.

Mit dem gleichen System werden auch die Ansprüche der pharmakologischen Wirkstoffentwicklung erfüllt. Die Entwicklung bedient damit die komplette Kette von der Erforschung der Wirkmechanismen und Entwicklung von spezifischen Wirkstoffen, über sicherheitspharmakologische Prüfungen und Phänotyp-basierte Risikobewertungen bis hin zur präzisen differenzierten Diagnostik und der modellbasierten Therapieplanung. So werden wir einen signifikanten und nachhaltigen Beitrag zur Eindämmung der sozioökonomischen Folgen von Vorhofflimmern und Herz-Kreislauf-Erkrankungen im Allgemeinen leisten.

Anwendungspotential plastikabbauender Enzyme und einer Deep-Learning gekoppelten Hochdurchsatz-Technologieplattform (ESTER)

Die Produktion von Kunststoffen verbraucht viel Erdöl, da diese nur unzureichend im Kreislauf gehalten werden können. Kürzlich entdeckte leistungsfähige Enzyme, die Kunststoffe wie PET in ihre Grundbausteine zerlegen, bieten einen neuen und grünen Weg ein hochqualitatives Recycling von End-of-Life Kunststoffprodukten zu ermöglichen (Cradle-to-Cradle Prinzip). Zur Anpassung der Enzyme an industrielle Anforderungen und mit Blick auf die Fülle der Kunststoffsorten besteht Entwicklungsbedarf. Im Rahmen der Förderung wird eine Technologie-Plattform für die künstliche Evolution evaluiert, um auf Basis einer KI-gestützten Proteinstruktur-vorhersage und einer neu entwickelten sensorischen Benchmark-Technik plastikabbauende Enzyme biotechnologisch und realwirtschaftlich nutzbar zu machen. Darüber hinaus werden Vor- und Nachbehandlungen (Up-/Downstream Processing) techno-ökonomisch untersucht, um die Wirtschaftlichkeit des biologischen Recyclings als Gesamtprozess für ausgewählte Anwendungsfälle zu bewerten. Teil davon ist ein neues Amorphisierungsverfahren, das die enzymatische Kunststoffzerlegung hochgradig beschleunigen kann und problematische Fraktionen wie gemischte Polyestertextilienabfälle recyclingfähig macht.  Markteintrittspunkte- und -hürden werden identifiziert, um die Konkurrenzfähigkeit zu alternativen chemischen Verfahren einzuschätzen. Wir sehen das enzymatische Recycling als eine anschlussfähige Lösung für das thermomechanische Recycling mit dem Ziel der Defossilierung der Kunststoffindustrie und der Förderung von Design for Recycling (D4R) Kunststoffen.