Menschliche Organ-on-Chip (OoC) Technologien sind innovative Instrumente in der KI-basierten Wirkstoffentwicklung. Sie ermöglichen eine genaue Nachbildung der organischen und zellulären Architektur, der mechanischen Kräfte sowie der fluidischen Mikroumgebung des Menschen. Zudem lässt sich durch die Miniaturisierung auf mikrofluidische Chips der Verbrauch von Wirkstoffen für das Screening in Gewebekulturen halbieren, was zu geringeren Kosten führt. Des Weiteren lassen sich mit den Chips Wirkstoffe aus der in silico-Umgebung in vitro testen und tragen so zur Reduzierung und dem Refinement von Tierversuchen in der Forschung bei.
In der Forschungsgruppe Biochemische Zelltechnologie werden patientenspezifische induzierte pluripotente Stammzellen genommen, um Gewebe aufzubauen, die für die Diagnostik und Arzneimittelentwicklung der Bekämpfung von Volkskrankheiten einschließlich Diabetes und Adipositas dienen.
Um künstliche Gewebetypen auf mikrofluidischen Chips zu integrieren und OoC-Technologien herzustellen, wird der Zwei-Photonen-Polymerisations-3D-Drucker benötigt.
Ein Zwei-Photonen-Polymerisations-3D-Drucker ist ein neuartiges 3D-Druckverfahren für die Herstellung von hochpräzisen, mikroskopisch kleinen 3D-Strukturen mit außergewöhnlicher Genauigkeit und extrem hoher Auflösung. Im Vergleich zu herkömmlichen additiven 3D-Druckverfahren, die in der Regel Schicht für Schicht arbeiten, verwendet der Zwei-Photonen-Polymerisations-3D-Drucker einen fokussierten Laserstrahl, um Materialien auf molekularer Ebene zu polymerisieren. Beim 3D-Druck wird das Druckmaterial von unten nach oben aufgebaut. Dies ermöglicht die Herstellung von komplexen Strukturen. „Im Unterschied zu anderen Forschungsgruppen im OoC-Bereich verwenden wir induzierte pluripotente Stammzellen, um gesundes patientenspezifisches Zielgewebe zu generieren“, erläutert Prof. Dr. Matthias Meier, Leiter der Gruppe, den innovativen Ansatz. „Dabei hat meine Forschungsgruppe OoC-Technologien entwickelt, die über den herkömmlichen Stand der Technik hinausgehen, wie zum Beispiel offene mikrofluidische Chips mit mikrostrukturierten Hydrogelen für das Engineering von Blutgefäßen.“ Diese Technologie ermöglicht es, tubuläres Epithel aus unterschiedlichsten Zelltypen zu bilden und damit verschiedene menschliche Krankheiten wie zum Beispiel Kardiovaskular-Komplikationen in Blutgefäßen bei anhaltender hoher kalorischer Essensaufnahme zu modellieren.
Ziel der Forschungsgruppe ist, die Organ-on-Chip-Technologie weiter zu entwickeln und aus dem Labor in die Anwendung zu führen. Die Technologie wird zurzeit patentiert. Das primäre Anwendungsfeld für die Produktentwicklung ist das parallele Screening von Hunderten in silico entwickelten Wirkstoffen für die Bekämpfung von Bauchspeicheldrüsenkrebs. Hierbei kann die Forschungsgruppe bereits erste Erfolge verzeichnen und ist zum Beispiel in der Lage, von Patienten gewonnene induzierte pluripotente Stammzellen der Bauchspeicheldrüse nachzubauen, um die frühe Phase der Krebsentwicklung auf der OoC-Plattform zu initialisieren. Für die Einführung der Technologie in verschiedene Märkte stellt jedoch momentan die komplexe Produktionstechnik eine Barriere dar.