Der Zellmetabolismus ist stark abhängig vom O2-Gehalt und dem pH-Wert der Zellumgebung, die beide mikroskopisch bisher nur unzureichend bestimmt werden können. Bestehende Verfahren zur O2- und pH-Quantifizierung erlauben entweder eine Bestimmung bei einem definierten Endpunkt, nehmen selbst Einfluss auf die Probe oder verbrauchen den Analyten bei der Messung.
Ziel des Forschungsvorhabens war es, ein kompaktes, biokompatibles und zerstörungsfreies 2D-Sensor-Funktionsmodell zu entwickeln, das die räumliche O2– und pH-Verteilung in Zell- und Gewebekulturen online mit hoher Lateralauflösung abzubilden erlaubt – ohne Analytverbrauch, direkt im Inkubator.
Zur Verbesserung der Lateralauflösung wurde im Projektrahmen ein neues optisches Messsystem mit Mikroskopobjektiv und spezieller Belichtungsquelle aufgebaut und erprobt. In iterativen Entwicklungsschritten konnte das Funktionsmuster entwickelt und in der Umgebung eines Brutschrankes getestet werden. O2– und pH-Sensorfolien wurden auf ihre Biokompatibilität getestet und zusammen mit dem System in proof-of-concept Experimenten in Zell-Monoschichten und 3D-Kulturen eingesetzt. Bei der Untersuchung der ansonsten nur schwer zugänglichen 3D-Gewebemodelle zeichnete sich das Funktionsmuster durch eine ganz und gar neue Abbildung in einem Zellaggregat aus. Messungen dieser Art sind bislang mit der im Projekt erreichten Auflösung und Nicht-Invasivität international nicht erzielt worden.
Die potenzielle Anwendungsbreite des entwickelten Systems ist enorm und reicht von zell- und gewebebasierten Assays, Wirkstoff- und Zytotoxizitäts-Screening, personalisierter Medizin, bis hin zur Anwendung in der regenerativen Medizin und der biomedizinischen Grundlagenforschung.
