Projekt: PremoCell – Photonische Analytik-Plattform zur Echtzeitüberwachung von Stammzell¬basierten In-vitro-Modellen

Im Fraunhofer-Programm PREPARE entwickeln vier Fraunhofer-Institute eine modulare biophotonische Plattform, mit der Wirkstoffeffekte in komplexen In-vitro-Modellen wie Magen- und Leberorganoiden in Echtzeit sichtbar gemacht werden.

Wie reagieren menschliche Zellen auf einen Wirkstoff und wie verändert sich ihre Reaktion über die Zeit? Im Projekt PremoCell entwickeln die vier Fraunhofer-Institute IPMS, IGB, IBMT und IZI-BB eine neue photonische Analyseplattform, deren Herzstück speziell entwickelte photonische Sensorchips sind. Sie soll ausgewählte Biomarker fortlaufend und in Echtzeit erfassen und so zeigen, wie lebende Zellmodelle und Organoide, d.h. dreidimensionale, organähnliche Strukturen, auf Wirkstoffe reagieren. Damit soll die präklinische Wirkstoffentwicklung unterstützt werden.

Der Beitrag des Fraunhofer IPMS

Das Fraunhofer IPMS entwickelt Si₃N₄-basierte, neuartige photonische Sensoren (PICs) mit drei kombinierten Detektionsprinzipien. Sie ermöglichen den schnellen Nachweis zellulär sezernierter Biomarker aus komplexen Medien mit hoher Sensitivität und Spezifität und übertreffen klassische Endpunktverfahren deutlich.

Zur Integration der PIC-Sensoren in präklinische Testmodelle entwickeln die drei Partnerinstitute aussagekräftige In-vitro-Wirkstofftestmodelle der Leber und des Magens in unterschiedlichen Komplexitätsgraden, um durch hohe Flexibilität präklinische Teststrategien umfassend zu adressieren. Das Fraunhofer IZI-BB konzentriert sich dabei auf die Generierung von Leberorganoiden aus hiPS-Zellen und deren Weiterentwicklung zu einem MASLD/MASH-Modell durch Kombination genetischer Risikoallele mit definierten Umweltfaktoren. Eingebettet in ein mikrophysiologisches System mit integrierter Echtzeitsensorik, sollen die Modelle künftig für Toxizitäts- und Wirksamkeitstests von Arzneimittelkandidaten genutzt werden.

Durch die enge Zusammenarbeit in PremoCell entstehen neue Ansätze für die präklinische Forschung sowie für In-vitro-Testsysteme zur Materialbewertung, etwa im Rahmen von REACH.

„Durch die Integration mehrerer photonischer Biosensorelemente auf einem einzigen Chip lassen sich verschiedene Biomarker parallel und mit hoher Sensitivität und Spezifität erfassen – auf kleinstem Raum. Damit wollen wir relevante Biomarker direkt aus komplexen biologischen Modellen kontinuierlich und parallel erfassen und ihre Veränderungen über die Zeit verfolgen.“

Dr. Florenta Costache, Projektleiterin PremoCell, Fraunhofer IPMS

Technologischer Ansatz

Im Zentrum der Entwicklung stehen Siliziumnitrid-basierte photonisch integrierte Schaltkreise (PICs) und ihre Integration in die PremoCell-Analyseplattform. Als technologische Grundlage dient eine am Fraunhofer IPMS entwickelte und etablierte Siliziumnitrid-Wellenleiterplattform auf 200-mm-Siliziumwafern, die eine besonders verlustarme Führung des Lichts ermöglicht. Für PremoCell werden die Sensoroberflächen mit spezifischen Erkennungsmolekülen funktionalisiert und gezielt auf die ausgewählten Biomarker sowie die biologischen Proben abgestimmt.

Die photonischen Biosensorchips nutzen das evaneszente Feld des in nanoskaligen Wellenleiterstrukturen geführten Lichts, um die Bindung von Biomarkern an der biofunktionalisierten Sensoroberfläche zu erfassen. Die Sensoroberfläche steht dabei in direktem Kontakt mit der biologischen Probe. Die Plattform integriert darüber hinaus Mikrofluidik und skalierbare Auslesearchitekturen, sodass mehrere Biomarker parallel und unter physiologisch relevanten Bedingungen erfasst werden können. Ergänzend kommen spektroskopische Verfahren und Reporter-Sphäroide – kugelförmige Zellverbände mit biologischer Anzeigefunktion – zum Einsatz. Sie liefern zusätzliche Informationen über die biologischen Modelle, die mit der PIC-basierten Analyse zusammengeführt werden.

Damit können dynamische biologische Reaktionen in Echtzeit nachverfolgt werden, die klassische Endpunktmessungen lediglich als Momentaufnahme abbilden.

Skalierung und industrielle Relevanz

Ein wesentlicher Vorteil des PIC-basierten Ansatzes liegt in der Nutzung etablierter Halbleiterfertigungsprozesse. Die PremoCell-Technologie wird auf einer industriellen 200-mm-Siliziumwafer-Plattform entwickelt. Dieses etablierte Waferformat schafft wichtige Voraussetzungen für eine reproduzierbare und skalierbare Fertigung größerer Stückzahlen. Damit legt das Projekt den Grundstein für einen späteren Transfer der Technologie in zukünftige Anwendungen, insbesondere im Bereich der präklinischen Wirkstofftestung.

Die PremoCell-Analyseplattform adressiert zentrale Fragestellungen der biomedizinischen Forschung und verfolgt darüber hinaus das Ziel, neue Möglichkeiten für die Charakterisierung komplexer In-vitro-Modelle zu erschließen. Die entwickelten Ansätze könnten künftig dazu beitragen:

• Wirkstoffeffekte in zellbasierten Modellen wie Organoiden besser zu verstehen,
• Unterschiede zwischen gesunden und krankheitsassoziierten Organoiden systematisch zu analysieren,
• Veränderungen relevanter Biomarker über den zeitlichen Verlauf zu erfassen,
• effizientere und aussagekräftigere Testverfahren zu ermöglichen.