Dieses innovative und interdisziplinäre Forschungsprojekt verbindet Mikrosystemtechnik, Bioelektronik und Gewebekultur, um ein „Organ-on-a-Chip“ bzw. ein mikrophysiologisches System (MPS) zu entwickeln, das die Kontraktion des Skelettmuskels unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen modelliert. Unter Verwendung von Skelettmuskelbiopsien, die aus Kohorten gesunder Patienten entnommen wurden, besteht die wissenschaftliche Herausforderung darin, Muskelmikrogewebe in vitro nachzubilden, um die Komplexität der Physiologie dieses Organs zu reproduzieren. Langfristig soll dasselbe System bei Patienten mit einer erworbenen Myopathie, die mit einer Organfunktionsstörung* einhergeht, eingesetzt werden, um so die beiden Zustände von der molekularen bis zur Gewebeebene zu vergleichen.
Masterpraktikum im zweiten Studienjahr – 6 Monate, von Januar bis Juni 2027. Der Studierende sollte über einen biologischen Hintergrund verfügen, insbesondere in der Zellbiologie (Erfahrung mit Zellkulturen und Mikroskopie ist von Vorteil), sowie Interesse an Physik und Elektronik mitbringen. Das Projekt erfordert, dass der Studierende in zwei verschiedenen Laboren arbeitet und dabei zwischen einem physikalisch/elektronisch orientierten Ansatz und dessen Anwendung in der biologischen Forschung wechselt.
Unser erster Ansatz besteht darin, einen ringförmigen Muskel (z. B. einen Schließmuskel) zu modellieren, um unsere Fähigkeit zur Entwicklung von Formen aus PDMS zu testen und die Integration mehrerer und/oder multiparametrischer Sensor- und/oder Aktuatortechnologien zur Überwachung normaler und anschließend pathologischer biologischer Prozesse anzupassen. Konkret werden wir Kulturvertiefungen aus einem Polymer auf Silikonbasis (PDMS) unter Verwendung 3D-gedruckter Vorrichtungen entwickeln, um toroidale Kulturumgebungen für die Erzeugung von sphinkterförmigen Muskelmodellen zu schaffen. Diese Strukturen ermöglichen eine Muskelkontraktion um den zentralen Pfeiler herum und die Messung dieser Kontraktionen mittels Vakuummikroskopie. Wir planen, bei gesunden Probanden ein homogenes Kontraktionsphänomen und in der pathologischen Konfiguration eine Desynchronisation desselben Phänomens zu erfassen.
In einer zweiten Phase planen wir, in diese Kulturvertiefungen ein Mikrohebel-Array zu integrieren, wie es vom IES-Team zur Messung der internen Elektrophysiologie von Organoiden entwickelt wurde. Diese Mikrohebel sind zudem mit Biegesensoren ausgestattet. Mithilfe einer radialen Anordnung der Mikrohebel in einer ringförmigen Kulturvertiefung wollen wir die Möglichkeit untersuchen, die elektrische Aktivität von Schließmuskeln sowie deren mechanische Kontraktionen zu stimulieren und aufzuzeichnen.
Die für diese Arbeit rekrutierte Studentin bzw. der rekrutierte Student wird an Zellkulturtechniken (Isolierung, Differenzierung und Manipulation von Fibroblasten und Myoblasten) zur Herstellung von „Tissue-on-a-Chip“-Modellen mitwirken. Gleichzeitig wird sie bzw. er im IES-Labor an der Entwicklung von PDMS-Formen zur Modellierung von Organoiden nach vordefinierten Modellen (Sphinkter/Mikrohebel) mitwirken. Schließlich umfasst dieser sechsmonatige Zeitraum erste Versuche zur elektrischen Stimulation unter Verwendung mikrofluidischer Technologien und Mikroelektrodenarrays (MEAs), um die ersten Reaktionen dieser fortschrittlichen Zellmodelle aufzuzeichnen.
Unsere langfristige Perspektive basiert auf einem multiorganischen Ansatz zum Verständnis und zur Behandlung systemischer oder organübergreifender Erkrankungen, insbesondere durch die Integration anderer Gewebe (z. B. des Nervengewebes).