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CellPrintArray – on-demand nano-scale printing of live cells and compounds for miniaturized cell screening applications

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Zellbasierte Microarray-Plattform für Wirkstoff-Screening

Die Arzneimittelforschung ist zeitaufwändig und nimmt in der Regel 15 bis 22 Jahre in Anspruch. Europäische Wissenschaftler wollen das Wirkstoff-Screening nun mit einer miniaturisierten Plattform beschleunigen, um die Gesamtkosten zu senken.

Gesundheit

Die Wirkstoffforschung umfasst die Synthese und Charakterisierung einzelner Wirkstoffkandidaten sowie biologisches Screening. Pharmaunternehmen setzen für das Screening chemischer Bibliotheken kombinatorische Chemie und Hochdurchsatzverfahren ein. Hierfür jedoch werden große Mengen an Reagenzien und Zellen benötigt sowie Pipettierroboter, die die Substanzbibliotheken in Mikrotiterplatten transferieren.

Drucken von Zellen auf Microarrays

Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die in der Wirkstoffforschung eingesetzt werden, entwickelte das EU-finanzierte Projekt CellPrintArray ein miniaturisiertes Array-Format für das Hochdurchsatz-Screening lebender Zellen. Das Konzept basiert auf der Droplet Microarray-Plattform, die im Rahmen des Projekts DROPCELLARRAY entwickelt wurde. „Herkömmliche Array-Technologien sind auf das Screening von Nukleinsäuren beschränkt. Unser Ziel war jedoch, ein System für das Screening löslicher Wirkstoffe mit lebenden Zellen im Microarray-Format zu entwickeln“, erklärt Projektkoordinator Dr. Pavel Levkin. Die Projektpartner generierten einen integrierten Ansatz, mit dem ganze Bibliotheken von Wirkstoffen, Molekülen und Zellen in Form einzelner 100-Nanoliter-Tröpfchen mit der Droplet Microarray-Plattform analysiert werden. Das CellPrintArray-System verwendet Microarray-Platten, auf denen die porösen hydrophilen Spots durch superhydrophobe flüssigkeitsabweisende Barrieren voneinander getrennt sind. Mit einem Nanoliter-Dosiersystem, das kompatibel für das Drucken vordefinierter Probemengen ist, füllten die Forscher die Microarray-Spots mit Tröpfchen spezifischer Probemengen (3-500 nl pro Experiment) von Wirkstofflösungen oder Zellen (1-100 Zellen pro Experiment). Neben der Dosiervorrichtung wurde (zusammen mit deren Hersteller) ein System zur Feuchtigkeitsregulierung entwickelt, um Verdunstungseffekte während des Prozesses zu minimieren. Auf diese Weise können Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeitsgehalt, Kohlendioxidgehalt und Temperatur kontrolliert werden sowie Zellkulturen bis zu drei Tage in Screening-Assays gezüchtet werden.

Vorteile des CellPrintArrays

Die CellPrintArray-Plattform für das Drucken und Screening von Zellen wurde im hauseigenen Labor für mehrere biologische Screenings erfolgreich getestet sowie extern durch Pharmaunternehmen und klinische Partner für personalisierte medizinische Anwendungen evaluiert. Wie Dr. Levkin betont, „lieferte das Screening mittels miniaturisierter Experimente vergleichbare Ergebnisse wie hochtechnische Screening-Technologien.“ Der größte Vorteil beim Arbeiten mit dieser Plattform ist, dass Zellscreening-Assays bis zu 1 000-fach miniaturisiert werden. So kann mit physiologisch relevanteren Zellmodellen wie Primärzellen, Stammzellen, Zellen aus Biopsien sowie anderen seltenen Zelltypen gearbeitet werden. Gleichzeitig werden der Einsatz teurer Reagenzien und damit Assay-Kosten und Zeitaufwand für das Screening deutlich reduziert. Das nächste Ziel für die Forschergruppe um den CellPrintArray ist die Entwicklung einer nutzerfreundlichen All-in-One-Plattform für miniaturisierte Zell-Screenings, die Funktionen wie Nanoliterdosierung, Plattenzufuhr, Zellkultivierung und Auslesen kombiniert. Mit dem integrierten System benötigen Pharmaunternehmen und Krankenhäuser für hochdurchsatzfähige Screenings nur noch ein einziges Gerät. Nun hoffen die Partner, das Array-Format vergrößern und damit für gängige Laborinfrastrukturen kompatibel machen zu können, was die Einsatzmöglichkeiten der CellPrintArray-Plattform erweitert. Mit Blick auf die Zukunft will Dr. Levkin „die Plattform für patienteneigene Zellen einsatzfähig machen und damit neue Möglichkeiten für die personalisierte Medizin eröffnen.“

Schlüsselbegriffe

CellPrintArray, Zelle, Microarray, Feuchtigkeit, chemische Synthese, Wirkstoff-Screening, Hydrophilie, Zellkultur, Flüssigkeitsdosierung, Feuchtigkeitskontrolle

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