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Sinusoidartige Anordnung von Hepatozyten (Calcein-Grün-Färbung) und Endothelzellen (Calcein-Rot-Färbung) in einer Zellkammer des HepaChip-Mikrosystems.

Sinusoidartige Anordnung von Hepatozyten (Calcein-Grün-Färbung) und Endothelzellen (Calcein-Rot-Färbung) in einer Zellkammer des HepaChip-Mikrosystems.

Primäre Zellen in Suspension werden in einem Mikrofluidiksystem mittels dielektrophoretischer Kräfte in sinusoidartige Zellaggregate assembliert und nachfolgend mit Medium und Substanzlösungen perfundiert.

Primäre Zellen in Suspension werden in einem Mikrofluidiksystem mittels dielektrophoretischer Kräfte in sinusoidartige Zellaggregate assembliert und nachfolgend mit Medium und Substanzlösungen perfundiert.

HepaChip: Leber-Co-Kulturen für Wirkstofftests

Das neuartige Testsystem ermöglicht toxikologische und pharmakologische Substanztests in organotypischen dreidimensionalen Zellkulturen.

Projektname: HepaChip
HepaChip: Dielektrophoretisch assemblierte organotypische Leberkokulturen zur toxikologischen und pharmakologischen Substanztestung
Projektleiter: Dr. Martin Stelzle
Geldgeber: BMBF
Projektträger: DLR Bonn
FKZ: 01GG0729
Laufzeit von: 01.02.2008
Laufzeit bis: 31.03.2011

In dem Verbundprojekt wurde ein Mikrosystem entwickelt, bei dem Leberzellen (Hepatozyten) und Endothelzellen in eine gefäßartige Struktur (Lebersinusoidstruktur) assembliert werden. Die Positionierung der Zellen erfolgt mithilfe elektrischer Felder (Dielektrophorese). Es entstehen dreidimensionale Zellaggregate, die physiologisch und strukturell dem natürlichen Gewebe nahe kommen. Bei Wirkstofftests wird deshalb eine hohe Vorhersagekraft in Bezug auf die In-vivo-Situation erwartet. Die Kultur kann über mehrere Tage mit Medium perfundiert und mit Substanzen getestet werden. Die Mikrofluidik hat außerdem den Vorteil, dass Versuchsabläufe automatisierbar sind.

Beschreibung

Viele Medikamente scheitern in der klinischen Phase aufgrund schwerwiegender toxischer Nebenwirkungen. Vor allem im Bereich Lebertoxizität haben die in der präklinischen Phase durchgeführten Tier- und In-vitro-Tests eine schlechte Vorhersagekraft. Die Speziesunterschiede bei Tierversuchen und der Verlust organtypischer Zellfunktionen in 2D-Kulturen führen dazu, dass es bisher kein zuverlässiges Modell für Lebertoxizitätstests gibt. Die rasche Dedifferenzierung von Primärzellen in Well-Kulturen ist oft die Folge des Fehlens einer in-vivo-ähnlichen Umgebung. Organe zeichnen sich durch eine gut organisierte 3D-Struktur mit vielfältigen Zell-Zell- und Zell-Matrix-Interaktionen aus, die in aktuell verwendeten 2D-Kulturen nicht berücksichtigt werden.

In BioMEMS (Bio-Mikroelektromechanischen Systemen) ist es möglich, einzelne Zellen gezielt zu manipulieren und so komplexe, organähnliche Strukturen aufzubauen. Strukturdimensionen im Mikromaßstab und die Möglichkeit einer kontinuierlichen Perfusion der Kultur kommen der In-vivo-Situation wesentlich näher als Standard-2D-Wellkulturen. Dies führt zu einer verbesserten Viabilität und Funktionalität der Zellen. Mikrofluidik bietet außerdem den Vorteil, dass Versuchabläufe automatisiert werden können, wodurch die Reproduzierbarkeit von Tests verbessert und der Arbeitseinsatz verringert werden.

Im HepaChip Verbundprojekt wurde ein neuartiges Substanz-Screeningsystem auf der Basis organtypischer Leber-Co-Kulturen entwickelt. Primäre humane Hepatozyten und Endothelzellen werden durch elektrische Felder (Dielektrophorese) derart in Mikrokammern positioniert und assembliert, dass die dabei entstehenden Zellaggregate die Komplexität der in vivo 3D-Strukturen des Lebersinusoids im Mikro-Maßstab nachbilden. Eine Oberflächenbeschichtung mit extrazellulären Matrixproteinen fördert die Adhäsion und das Wachstum der Hepatozyten. Nach Assemblierung der Kultur werden die Zellen über Mikrokanäle mit Medium perfundiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Aktivität der Hepatozyten (Albuminsekretion, Harnstoffsynthese, Phase I und II Enzymaktivität) im HepaChip im vergleich zu 2D Kulturen im Well erhöht ist.

Das Prinzip der Assemblierung gewebetypischer Zellanordnungen in Mikrosystemem mittels Dielektrophorese ist auf vielfältige Zelltypen anwendbar und könnte benutzt werden, um neben der Leber auch andere Organe und Gewebe, z. B. Darm, Lunge oder die Blut-Hirn-Schranke, in einem perfundierbaren Mikrochip nachzubilden.

Projektpartner

  • BSL Bioservice, München, Dr. C. Höppner
  • European Screening Port, Hamburg, Dr. P. Röhnert
  • Insitut für Biochemie der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig, Prof. Dr. R. Gebhardt
  • microfluidic ChipShop GmbH, Jena, Dr. H. Becker

Veröffentlichungen

1. Holzner, F., B. Hagmeyer, J. Schütte, M. Kubon, B. Angres, and M. Stelzle. Numeric Modelling and Measurement of Cell Trajectories in 3D under the Influence of Dielectrophoretic and Hydrodynamic Forces submitted to Electrophoresis.
2. Schütte, J., C. Freudigmann, K. Benz, J. Böttger, R. Gebhardt, and M. Stelzle. 2010. A method for patterned in situ biofunctionalization in injection-molded microfluidic devices. Lab Chip 10:2551-2558.
3. Schütte, J., B. Hagmeyer, F. Holzner, M. Kubon, S. Werner, C. Freudigmann, K. Benz, J. Böttger, R. Gebhardt, H. Becker, and M. Stelzle. in print. ARTIFICIAL MICRO ORGANS  A MICROFLUIDIC DEVICE FOR DIELECTROPHORETIC ASSEMBLY OF LIVER SINUSOIDS. Biomed. Microdevices.

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