Im Labor kultivierte Zellen gelten seit vielen Jahren als Ersatzmethode, um Tierversuche in der Arzneimittelentwicklung oder der Toxizitätsprüfung von Chemikalien zu reduzieren. Heutzutage sind solche Zellkultur-Modelle für jedes menschliche Gewebe verfügbar. Der Trend in der experimentellen Biomedizin geht dabei zunehmend in Richtung dreidimensionaler Gewebemodelle, weil sie die Verhältnisse in einem lebenden Organismus realistischer widerspiegeln. Neben solchen möglichst realistischen Gewebemodellen sind aber auch analytische Verfahren erforderlich, um deren Zustand während der Aktivitätsprüfungen zu überwachen. Hier stoßen die heute gebräuchlichen optischen Methoden oft an ihre Grenzen, da sichtbares Licht nur begrenzt in Gewebe eindringen kann.

Temperaturmessung als Schlüssel zur Analyse des Zellstoffwechsels

Ein Forschungsteam aus drei Unternehmen und zwei Forschungseinrichtungen geht daher neue Wege: Im Projekt „T-Sense-3D“, das seit dem 01.10.2024 durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF in der Fördermaßnahme „KMU-innovativ“ gefördert wird, soll die Überwachung des Zellstoffwechsels und seiner Änderungen durch hochpräzise Temperaturmessungen erfolgen. Die Temperatur ist ein universeller Indikator für den zellulären Stoffwechsel, da nur lebende Zellen Wärme erzeugen. Jede äußere Beeinflussung des Stoffwechsels führt zu minimalen Temperaturänderungen. Um diese präzise messen zu können, sind neue analytische Verfahren notwendig. Die Projektpartner aus den Unternehmen FEW Chemicals GmbH (Bitterfeld-Wolken), ibidi GmbH (Gräfelfing) und nanoAnalytics GmbH (Münster), dem Fraunhofer Institut für Elektronische Mikrosysteme und Festkörpertechnologien (EMFT) und der TU München experimentieren dazu mit neuartigen Materialien aus maßgeschneiderten Polymerketten und Nanopartikel-Beimengungen. Diese Materialien werden in Form kleinster Tropfen auf den Boden von Zellkulturgefäßen gedruckt, um Kontakt mit den Gewebemodellen herzustellen. Die Materialien ändern ihren elektrischen Widerstand in einem sehr kleinen, durch die chemische Zusammensetzung der Sensorspots zu kontrollierenden Temperaturfenster um ein Vielfaches. Durch Messung des elektrischen Widerstandes wird so eine hochpräzise Temperaturmessung zugänglich. 

Technologische Lücken schließen

Im Projekt sollen die Temperatursensoren mithilfe von Massenproduktionsmethoden (Rolle-zu-Rolle) in Zellkulturgefäße integriert werden, um eine effiziente Wirkstoffprüfung zu ermöglichen. Zudem entwickeln die Forschenden maßgeschneiderte Messelektronik und Software, um das neue Verfahren anwenderfreundlich am Markt zu etablieren. Die Funktionalität des Gesamtsystems soll in biologischen Modellstudien demonstriert werden.

Das Biomedizin-Projekt zielt darauf ab, durch Lösung einer anspruchsvollen materialwissen-schaftlichen Fragestellung eine technologische Lücke zu schließen: die quantitative Echtzeitanalyse von 3D-Gewebemodellen mit mittlerem Durchsatz. Das neue Verfahren besitzt das Potential, neue Möglichkeiten in der experimentellen Biomedizin zu eröffnen, und adressiert einen Markt, der bis 2030 ein zweistelliges jährliches Wachstum erwarten lässt.