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Herstellung mikrofluidischer Systeme mittels hochauflösendem 3D-Druck

AK Janina Bahnemann

In den vergangen Jahren hat der dreidimensionale (3D) Druck ein steigendes wissenschaftliches Interesse geweckt. Durch den bemerkenswerten technischen Fortschritt lassen sich mittlerweile hochauflösende Strukturen im Bereich weniger Mikrometer drucken. Diese Entwicklung lässt sich auch auf den Bereich der Mikrosystemtechnik anwenden und findet zunehmend Einsatz für den 3D-Druck mikrofluidischer Prototypen und Einwegsysteme. Ein wesentlicher Vorteil 3D-gedruckter Mikrosysteme gegenüber traditioneller Herstellungsmethoden ist, dass gewünschte Prototypen im Anschluss an das 3D-Design und die Modellierung innerhalb weniger Stunden gedruckt werden können. Hierdurch können notwendige Modifikationen für die Optimierung der Systeme schnell umgesetzt und getestet werden.

Mithilfe moderner, hochauflösender 3D-Drucker werden im Arbeitskreis von Dr. Janina Bahnemann mikrofluidische Prototypen hergestellt, die im Bereich der Zellkulturtechnik zum Einsatz kommen. Im Rahmen der Emmy Noether-Förderung der DFG wird in der Nachwuchsforschungsgruppe derzeit an der Entwicklung eines integrierten mikrofluidischen Systems gearbeitet, welches die flexible Herstellung rekombinanter Proteine ermöglichen soll. Durch die effiziente Vermischung und Inkubation der Wirtszellen mit dem Plasmid soll das System eine kontinuierliche, transiente Transfektion tierischer Zellen gewährleisten. Eine integrierte Separationseinheit soll die transfizierten Zellen anschließend vom Transfektionsmedium abtrennen und gleichzeitig in frisches Kulturmedium überführen. Auf diese Weise können die transfizierten Zellen direkt im Bioreaktor kultiviert und für die Produktion des Zielproteins verwendet werden.

Ein Teilprojekt befasst sich hierbei mit dem Design und der Herstellung sogenannter Mikromischer, mit denen Suspensionszellen innerhalb kürzester Zeit schonend und effizient mit einem gewünschten Reagenz gemischt werden können. Diese Mikromischer lassen sich direkt in einen Zellkulturprozess integrieren und ermöglichen eine kontinuierliche und flexible Manipulation tierischer Zellen.

Publikation: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/smll.201804326

Zellkulturtechnik mit CHO-Suspensionszellen

AK Janina Bahnemann

Ein weiterer Fokus aktueller Forschungsarbeiten liegt auf der flexiblen Produktion rekombinanter Proteine mittels tierischer Zellkulturen. Derzeit wird in dem Arbeitskreis an der Entwicklung eines Durchflusssystems gearbeitet, das eine kontinuierliche transiente Transfektion tierischer Zellen ermöglicht. Als Wirtszellen für die Transfektion werden hauptsächlich CHO (Chinese Hamster Ovary) Suspensionszellen genutzt, die in der industriellen Proteinproduktion weit verbreitet sind.

Um eine Grundlage für die Verwendung 3D-gedruckter Materialien in der Zellkultur zu schaffen, befasst sich ein Teilprojekt mit der Untersuchung der Biokompatibilität verschiedener 3D-Druckmaterialien. Diese Untersuchungen sind besonders wichtig, da die 3D-gedruckten Prototypen und mikrofluidischen Systeme im direkten Kontakt mit den Zellen stehen.

Zur Prozessüberwachung und Analyse der Zellkulturexperimente steht dem Arbeitskreis ein Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS) Durchflusszytometer zur Verfügung. Hiermit werden Zellproben hinsichtlich ihrer morphologischen und fluorogenen Eigenschaften analysiert und anschließend ausgewählte Zellpopulationen selektiert und rekultiviert. Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise Untersuchungen der Zellgrößenverteilung sowie die Analyse von Apoptose, Nekrose und der Zellzyklusphasen. Zudem wird mittels FACS die Effizienz der transienten Transfektion bestimmt, indem die Expression des Grün Fluoreszierenden Reporterproteins (GFP) quantitativ analysiert wird.

Entwicklung elektromechanischer und elektrochemischer Biosensoren

AK Janina Bahnemann

Weitere Forschungsarbeiten des Arbeitskreises befassen sich mit der Entwicklung neuer Sensoren für die Überwachung von Zellkultursystemen. Aktuelle Forschungsschwerpunkte umfassen die Entwicklung elektrochemischer und elektromechanischer, Aptamer-basierter Biosensoren für eine schnelle Analyse von Zielproteinen (z.B. Antikörper) sowie für die Früherkennung potentieller mikrobieller Kontaminationen. Als Aptamere werden oligomere, einzelsträngige Nukleinsäuren bezeichnet, die über ihre dreidimensionale Struktur hoch affine und selektive Bindungen zu einem Zielobjekt aufweisen. Durch die in vitro Selektion passender Nukleinsäuresequenzen (SELEX) sind im Vergleich zu Antikörpern auch nicht immunogene Stoffe als Zielsubstanzen erreichbar.

Die Kombination von elektrochemischen bzw. elektromechanischen Methoden mit Aptameren ermöglicht eine markierungsfreie (label-free) und kontinuierliche Echtzeit-Prozessüberwachung, welche die herausragenden Sensitivität elektrischer Messmethoden und die selektive Affinität von Aptameren vereint. Zu den elektrochemischen Methoden, die in der Nachwuchsforschungsgruppe von Frau Dr. Bahnemann spezifiziert bzw. weiterentwickelt werden, gehört neben voltammetrischen Messstrategien auch die elektrochemische Impedanzspektroskopie. Die elektromechanische Methode beruht auf der Oszillation piezoelektrischer Quartzkristalle unter Anlegung einer Wechselspannung, besser bekannt als Quartz Crystal Microbalance (QCM). Ändert sich die Masse gebundener Komponenten auf der Kristalloberfläche, so ändert sich auch die Oszillationsfrequenz.

Da elektrochemische und elektromechanische Methoden in einem Ansatz kombinierbar sind, eröffnen sich flexiblere und damit robustere Detektionen im Hinblick auf zu detektierende Konzentrationsbereiche und Detektionslimits.