Sauerstoff-sensitive Mikrokavitätenarrays

O2-sensitive Mikrokavitätenarrays

Grundlage vieler Arbeiten der Arbeitsgruppe 3D-Zellkultursysteme bilden die sogenannten Mikrokavitätenarrays (Abb. 1). Die Folien-basierten 3D-Zellkultursubstrate wurden am KIT entwickelt und vereinen viele Vorteile in sich, wie Dünnwandigkeit, damit verbundendene hohe Transparenz, definierte Position und vieles mehr. Die Systeme sind erfolgreich für die organotypische (Co-)Kultur von Leber-, Herz-, Darm- und vielen anderen Zelltypen verwendet worden und lassen sich in eigens dafür konzipierten Mikrobioreaktoren auch dynamisch kultivieren.

   

Abb. 1: Links: Schematischer Aufbau eines Mikrokavitätenarrays. Mitte: Blick von unten auf ein 634er-Array. Rechts: Schematische Darstellung eines Arrays dessen rechte Hälfte mit einem Sauerstoff-sensitiven Fluorophor beschichtet ist.

Einen äußerst wichtigen Parameter für die organotypische Kultur von Organoiden stellt die lokale Sauerstoffkonzentration dar. Diese konnte bislang aber nicht gemessen werden. Durch die Beschichtung der Array-Folie mit einem O2-sensitiven Fluorophor ist es nun erstmals möglich die O2-Konzentration Label-frei, in Echtzeit und ohne Analytverbrauch sowohl in der direkten Mikroumgebung der Zellen als auch z.B. zwischen den Mikrokavitäten zu messen. Damit lassen sich O2-Gradienten in der Kultur bestimmen, die in globalen Sauerstoffmessungen nicht möglich sind. Darüber hinaus lässt sich die zelluläre Atmung nach Substanzgabe, z.B. von Atmungskettengiften, charakterisieren (Abb. 2).

Abb. 2: Die Abbildung zeigt HepG2-Sphäroide in einer Sensor-Array-Kultur, in der die Sauerstoffkonzentration in der direkten Mikroumgebung der Sphäroide (untere Kurve) und außerhalb der Sphäroide (obere Kurve) gemessen wurde. Wie ersichtlich, lassen sich nicht nur kleine Änderungen in der Sauerstoffkonzentration durch einen Mediumwechsel erkennen, sondern natürlich auch sehr deutliche Änderungen nach Gabe eines Atmungsketteninhibitors (Antimycin A). Mit Hilfe der Sensor-Arrays lassen sich so z.B. auch Mito-Stresstests messen (Oxygen Consumption Rate (OCR) nach Oligomycin, FCCP, Rotenon & Antimycin A-Gabe) oder die Auswirkungen neuer chemischer Entitäten (NCE) auf den Sauerstoffverbrauch der Zellen.