CellWiTal - Reproduzierbare Cellsysteme für die Wirkstoffforschung

In der Biotech- und Pharmaindustrie werden sich in Zukunft Hochdurchsatz-Screening-Verfahren an biologischen Testsystemen als Schlüsseltechnologie in folgenden Anwendungsgebieten stärker etablieren: Wirkstofffindung („drug discovery“), toxikologische Untersuchungen und Sicherheitstests als Ersatz für Tierversuche. Die Aussagekraft dieser Screenings hängt dabei direkt von der Funktionalität der verwendeten biologischen Systeme ab. Bisher werden für solche Untersuchungen vor allem 2D-Zellassays eingesetzt, bei denen die Zellen als Monolayer auf einem Substrat kultiviert werden. Solche einfachen Systeme können zwar Informationen z. B. zur Zellvitalität oder Morphologie liefern, sind aber nicht in der Lage, die komplexen Funktionszusammenhänge in biologischen Geweben nachzubilden. Essentiell für die korrekte biologische Funktion ist eine komplexe hierarchische Mikroarchitektur, welche durch das Zusammenwirken von verschiedenen Zelltypen, der extrazellulären Matrix (ECM) und Gradienten von Wachstumsfaktoren entsteht. Um diese Komplexität auch in den biologischen Screening-Verfahren abbilden zu können, wächst der Bedarf an funktionaleren biologischen Testsystemen. Hierzu zählen Zellarrays, bei denen einzelne Zellen gezielt positioniert, unterschiedliche Zelltypen miteinander kombiniert und mit Hilfe von ECM-Komponenten strukturiert werden, Lab-On-Chip-Systeme, zelluläre 3D-Strukturen sowie hochkomplexe Gewebeersatzmaterialien.

An diese Lücke im Stand der Technologie setzt das Projekt CellWiTaL an. Es soll ein hochauflösendes Einzeldrucksystem (High Resolution Laser Live Cell Printing HRLLCP) entwickelt werden, das Identifikation, Selektion und gezielten Transfer von einzelnen lebenden Zellen auf einen Akzeptor ermöglicht. HRLLCP adressiert gezielt den Bedarf in der Einzelzellanalytik. Im Rahmen des beantragten Projekts soll ein Demonstrator entstehen, der aus im Labor kultivierten Zellpopulationen und aus Biopsiematerial gezielt einzelne Zellen mit gewünschten Merkmalen (z. B. Zellgröße, Morphologie, Oberflächenproteine nach Fluores-zenzmarkierung) selektieren kann und diese auf ein Akzeptorsubstrat überträgt. Die Positionierung erfolgt dabei mit einer Auflösung im Mikrometerbereich. Langfristig wird auch die Produktion von funktionalen biologischen Testsystemen für die Pharmaindustrie angestrebt.

Das Funktionsprinzip des laserbasierten Transfers von Einzelzellen ist in der nachfolgenden Skizze dargestellt.