IGF-Projekt: 01IF22477N (2022 - 2024)
Die Nutzung von 3D-Zellkulturen stellt eine fortschrittliche Alternative zur klassischen Nutzung von 2D-Zellkulturen dar, da 3D-Zellkulturen zelluläre Vorgänge des menschlichen Körpers erheblich realitätsnäher abbilden. Die Visualisierung von 3D-Zellkulturen ist derzeit jedoch noch herausfordernd. Den aktuellen Stand der Technik bilden invasive, zeitaufwändige und zerstörende Verfahren, die hohe Personalkosten verursachen und schlechte Ressourceneffizienzen vorweisen. Zudem fehlt die Möglichkeit einer nichtinvasiven Langzeitüberwachung von 3D-Zellkulturen. Zwar bietet sich für eine Visualisierung von 3D-Zellkulturen die optische Kohärenztomographie (OCT) aus mehreren Gründen an, die beispielsweise in der Lage ist, hochaufgelöste Schnittbilder von Proben zerstörungsfrei, nichtinvasiv und ohne Probenpräparationsschritte zu erzeugen. Allerdings ist die OCT-Eindringtiefe auf ca. 500 μm limitiert. Dadurch können spätere Entwicklungsstadien von 3D-Zellkulturen, mit Durchmessern von über 1 mm, nicht mehr ausreichend gut erfasst und dargestellt werden.
Das Ziel des IGF-Projekts OrganOiCT war, die OCT als nichtinvasives, hochaufgelöstes und schnelles Bildgebungsverfahren für die Erfassung und Darstellung von in-vitro-3D-Zellkulturen mit Durchmessern von mehr als 1 mm weiterzuentwickeln. Hierzu sollte ein System mit zwei zueinander diametral stehenden Messarmen entwickelt werden, sodass die Zellkulturen aus zwei einander gegenüberliegenden Positionen erfasst werden. Um die Datenerfassung zweier OCT-Messungen (je einer pro Messarm) mit nur einer Datenzugriffsebene zu ermöglichen, sollte eine entsprechende Steuerungssoftware entwickelt und implementiert werden. Mit Hilfe eines zu entwickelnden Registrierungsalgorithmus, mit dem eine gegenseitige Registrierung der beiden OCT-Datensätze durchgeführt werden kann, sowie einer ebenfalls zu entwickelnden markerbasierten Kalibriermethode sollten beide Datensätze zu einem großen Volumendatensatz robust zusammengeführt, die Genauigkeit der Bildgebung deutlich erhöht und die Messzeit minimiert werden. Dadurch sollte der effektive Tiefenmessbereich der OCT nahezu verdoppelt werden.
Mithilfe des projektbegleitenden Industrieausschusses wurden verschiedene Anwendungsgebiete für die Innovationsidee identifiziert, einschließlich Qualitätskontrolle von Spheroiden und Organoiden, Drug-Screening und strukturelle Analysen. Für die Entwicklung entsprechender Demonstratoren wurden spezifische Forschungsbedarfe festgestellt.
Aufbauend auf diesen Anforderungen wurden zwei separate OCT-Systeme mit Wellenlängen von 850 nm und 1300 nm entwickelt, um unterschiedlichen Bedarfen der Bildgebung gerecht zu werden.
Ergänzend wurden ein robuster Registrierungsalgorithmus sowie eine markerbasierte Kalibriermethode entwickelt, um die präzise Fusion zweier Datensätze zu ermöglichen und die Genauigkeit der Bildgebung deutlich zu erhöhen.
Die Validierung der Systeme erfolgte an verschiedenen biologischen und technischen Proben, darunter Schweineknochen, Hähnchenbrust und Hydrogel mit epithelialen Zysten.
Die Messergebnisse der neuen OCT-Systeme zeigten signifikante Fortschritte in Funktionalität und Messgenauigkeit. Innere Strukturen konnten detailliert abgebildet werden und lieferten wertvolle zusätzliche Informationen.
Die erzielten Ergebnisse eröffnen zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in der Forschung und für die Industrie, insbesondere in der Biotechnologie und Medizintechnik. Auch Messungen an z. B. Bipolarplatten von Brennstoffzellen zeigten großes Potenzial: Mit dem diametralen OCT-Ansatz konnten kritische Parameter wie die Ausdünnung der metallischen Platte oder Luftblasen im Dichtungsmaterial detektiert werden.
Mit dem im Projekt entwickelten diametralen OCT-Ansatz konnte ein neuartiges Messprinzip etabliert und experimentell validiert werden, das eine signifikante Erweiterung des Tiefenmessbereichs ermöglicht. Damit wird die nichtinvasive, in-vitro Bildgebung von 3D-Zellkulturen mit Durchmessern oberhalb von einem Millimeter technisch realisierbar – ein Anwendungsfeld, das mit etablierten OCT-Systemen bisher nicht zuverlässig adressiert werden konnte.
Der innovative Beitrag des Projekts liegt in der erstmaligen Kombination einer diametralen OCT-Bildgebung mit softwaregestützten Registrierungs- und Kali-brierverfahren.
Diese technologische Neuheit eröffnet nicht nur neue Anwendungen in der biomedizinischen Forschung, sondern auch in industriellen Fertigungsprozessen.
Insbesondere KMU können aufgrund ihrer Rolle als spezialisierte Technologie- und Dienstleistungsanbieter durch die Verbesserung der Qualitätssicherung von biomedizinischen und pharmazeutischen Produkten, Entwicklung anwenddungsspezifischer OCT-Systeme, Softwarelösungen für die Bildauswertung, Entwicklung neuer Zeit- und Kosten-effizienter nicht-invasiver Analysemethoden sowie anwendungsnaher Messdienstleistungen profitieren.
Die hier entwickelte Technologie sollte in Folgeprojekten weiter vorangetrieben und neue Anwendungen in der industriellen Qualitätssicherung untersucht werden, z. B. im Bereich der Bipolarplatten.
Laufzeit: 01.06.2022 - 31.12.2024
Beteiligte Forschungseinrichtung
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Eingebundene Unternehmen
(Projektbegleitender Ausschuss, "PA")
Von diesen Unternehmen beteiligten sich die beiden Unternehmen arrows biomedical Deutschland GmbH sowie LLS Rowiak LaserLabSolutions GmbH an der Deckung der auf freiwilliger Basis durch die Wirtschaft zu tragenden Administrationskosten.
BMWE- Förderung
Wissenschaftliche Publikationen
Abschließende Ergebnisse
Weitere Informationen für eingebundene PA-Unternehmen