Nanonetzwerke EU-Projekt arbeitet an Technologien für die Krebsüberwachung und Therapie

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Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT)

Das EU-Projekt Gladiator arbeitet an der nächsten Generation von Theranostika für Gehirnpathologien unter Verwendung autonomer, extern steuerbarer Nanonetzwerke. Das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT unterstützt auf dem Gebiet der medizinischen Biotechnologie und des Ultraschalls.

Im Rahmen des EU-Projekts Gladiator haben sich die Universität von Zypern, die finnische Universität Oulu, das deutsche Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT, das Waterford Institut für Technologie aus Irland und die Norwegische Universität für Wissenschaft und Technologie sowie das KMU Epos-Iasis Research and Development, Ltd. aus Zypern mit der japanischen Universität Osaka zusammengeschlossen. Die Universität Zypern und Epos-Iasis übernehmen die Koordination des Projekts, dessen Ziel es ist, durch die Verknüpfung von Biowissenschaften, Bio-Nanotechnologie, Ingenieurwesen und Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) eine zukunftsweisende und umfassende theranostische (therapeutische + diagnostische) Lösung für bösartige Erkrankungen des Gehirns zu entwickeln.

Das Gladiator-Projekt zielt darauf ab, einen funktionierenden Prototyp eines vollständigen, autonomen und klinisch anwendbaren, auf einem Nanonetzwerk basierenden theranostischen Systems zu entwickeln. Dieses soll auf dem Konzept der extern kontrollierbaren molekularen Kommunikation (Externally Controllable Molecular Communications, ECMC) beruhen. Anhand von Glioblastoma-Multiform-Tumoren – der schädlichsten aller Hirnpathologien – als In-vitro- und In-vivo-Kleintiermodelle führt Gladiator eine theranostische Plattform aus kombinierten zellbasierten und elektronischen Komponenten ein.

Das Konzept beruht auf der extern kontrollierten Produktion von therapeutischen Exosomen aus spezifisch modifizierten neuronalen Zellen zur Verkleinerung von Glioblastoma-Multiform-Tumoren. Der Erfolg dieses Ansatzes wird über Exosomen kontrolliert. Diese werden vom Tumor selbst als Reaktion auf die Behandlung freigesetzt. Die Exosomen wiederum lösen die Freisetzung von Exosomen aus, die mit fluoreszierenden Molekülen beladen sind. Um diese fluoreszierenden Biomarker zu detektieren und entsprechende Diagnoseinformationen abzurufen, wird ein autonomer Hybrid-Sensor mit ultraschallbasierter Energieversorgung und passivem Kommunikationsschema entwickelt.

Das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT ist mit seinen Abteilungen Stammzell- & Kryotechnologie und Bioprozesse & Bioanalytik sowie der Abteilung Ultraschall an der Synthese allogener oder patientenspezifischer Organoide, dem In-vitro-Proof-of-Concept des Ansatzes an komplexen biologischen Modellen und an der Entwicklung des oben genannten ultraschallbasierten Energieübertragungs- und Kommunikationsschemas für implantierbare Sensoren beteiligt. Während des Projekts werden neue Ansätze für die Kryokonservierung therapeutischer Zellkonstrukte, ein fortschrittliches mikrofluidisches Modell, das verschiedene zelluläre Konstrukte mit den projektspezifischen elektronischen Schnittstellen kombiniert, und ein miniaturisiertes implantierbares Hydrid-Sensor-Reporting-Gerät entwickelt.

Frühe nueronale Organoide dienen als Modellsysteme

Das Fraunhofer IBMT entwickelte hierfür Produktionsroutinen mit skalierbaren und automatisierbaren Technologien, um die Projektpartner mit homogenen frühen neuronalen Organoiden als Modellsysteme zu versorgen. Die Bewertung von Morphologie, Lebensfähigkeit und Funktionalität der Organoide zeigte keine Nachteile hinsichtlich der biologischen Eigenschaften bei Verwendung skalierbarer Technologien. Um das Verhalten und die Entwicklung der Organoide in einer physiologischeren Umgebung im Hinblick auf die zu erwartenden In-vivo-Studien zu simulieren, wurden Einbettungsstudien unter Verwendung verschiedener Gerüste (z. B. auf Alginatbasis) durchgeführt. Diese zeigten ein stabiles neurales Schicksal bis zu zwei Monaten.

Darüber hinaus wurden geeignete Kryokonservierungsprotokolle etabliert, die eine langfristige Aufbewahrung der produzierten neuralen Organoide ermöglichen – und zwar sowohl durch konventionelles Einfrieren mit langsamer Geschwindigkeit als auch durch innovative Vitrifikationsverfahren. So konnte gezeigt werden, dass die Kryokonservierung für die frühen neuralen Organoide generell machbar ist.

Es wurde eine multizelluläre mikrofluidische Plattform eingerichtet, die neurale Organoide, ein aus Stammzellen abgeleitetes Modell der Blut-Hirn-Schranke und aus Glioblastoma-Multiform-Zellen abgeleitete Sphäroide integriert. Die Plattform bietet eine spezielle Umgebung für die erfolgreiche Ko-Inkubation der Zelltypen sowie Optionen für die Behandlung und Probenahme ohne Unterbrechung des Kreislaufs. Des Weiteren wurden spezielle theranostischen Antennen integriert, die von den Projektpartnern hergestellt wurden.

Proof-of-Concept für ultraschallbasierte Energieübertragung und passive Kommunikation

Im Bereich der Sensorik konnte das Fraunhofer IBMT den Proof-of-Concept für ultraschallbasierte Energieübertragung und passive Kommunikation erbringen. Zu diesem Zweck wurde ein implantierbarer Hybridsensor entwickelt, der die Fluoreszenzdaten in die Amplitudenmodulation des rückgestreuten Signals des Implantats übersetzt. Nach einem Proof-of-Concept in Phantomexperimenten konzentrieren sich die aktuellen Arbeiten auf die Verkapselung des Sensors im Hinblick auf einen ersten In-vivo-Einsatz in Kleintiermodellen.

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