Labor & Diagnostik

Herausforderungen und mögliche Lösungen für die Visualisierung von 3D-Zellkulturen

Zellkulturen helfen in der klinischen Forschung dabei, neue Medikamente zu erproben und Vorgänge im menschlichen Körper besser zu verstehen. Bisher kommen Zellkulturen zum Einsatz, die in einer einzelnen Schicht auf einem Nährboden wachsen. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass Kulturen, die in dreidimensionalen Formen wachsen, viele Fragen realitätsnäher beantworten können als herkömmliche Zellkulturen.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT beschreibt in einem neuen Whitepaper, welche Herausforderungen bei der Arbeit mit 3D-Zellkulturen bestehen und wie die Optische Kohärenztomographie (OCT) dazu eingesetzt werden kann, um diese zuverlässig zu visualisieren.

Zellkulturen, die in einer dreidimensionalen Form wachsen, bieten deutliche Vorteile für die Medikamentenforschung: Durch ihre höhere Komplexität gegenüber einfacheren einschichtigen Zellkulturen bilden sie die Gegebenheiten des menschlichen Körpers besser ab. Dies eröffnet vor allem bei Wirkstoffuntersuchungen neue Chancen: Zwischen 88 und 95 Prozent aller Arzneimittel, die sich in klinischen Studien befinden, kommen nie auf den Markt, weil die Ergebnisse der Tests an 2D-Zellkulturen in den klinischen Studien nicht reproduziert werden können. Da 3D-Zellkulturen in der Lage sind, die Vorgänge im menschlichen Körper besser abzubilden, schaffen sie eine realistischere Umgebung für Wirkstoffuntersuchungen. Dadurch könnten in Zukunft mehr Medikamente zur Marktreife gebracht und die Entwicklungskosten neuer Arzneimittel deutlich gesenkt werden.

Die Visualisierung von 3D-Zellkulturen

In ihrem neuen Whitepaper „OCT for 3D cell culture visualization“ beschreiben die Aachener Forscherinnen und Forscher die Herausforderung bei der Visualisierung von 3D-Zellkulturen: Die volumetrischen Kulturen weisen stark streuende Eigenschaften auf und können einen Durchmesser bis zu mehreren Millimetern erlangen. Der größte Informationsgehalt liegt jedoch unterhalb der Oberfläche. Bisherige Verfahren, dazu zählen Dünnschnittverfahren, die Fluoreszenz-Lichtscheibenmikroskopie, die konfokale Laserscanningmikroskopie und die 2-Photonen-Mikroskopie, sind zeitaufwendig, technisch anspruchsvoll und fehleranfällig. Der größte Nachteil der bisherigen Verfahren ist jedoch die Tatsache, dass sie alle invasiv, also zerstörend, arbeiten. Dies bedeutet einen erhöhten Ressourcenbedarf, und dass Langzeituntersuchungen einer einzelnen 3D-Zellkultur unmöglich sind.

Ein alternativer Ansatz: Optische Kohärenztomographie

Ein neuer Ansatz zur Abbildung von 3D-Zellkulturen ist das Bildgebungsverfahren der Optischen Kohärenztomographie, das im Whitepaper vorgestellt wird: Die OCT stammt ursprünglich aus der Augenheilkunde und kann hochaufgelöste Schnittbilder erzeugen. Sie arbeitet dabei vollkommen berührungslos und nicht-invasiv. Damit ist es möglich, 3D-Zellkulturen und ihr Wachstum ohne weitere Handhabungsprozesse, Medienwechsel oder Präparationsschnitte zu untersuchen. Wie alle optischen Methoden ist auch die OCT in ihrer Eindringtiefe begrenzt. Daher konzentrieren sich aktuelle Forschungsprojekte, in denen die OCT zur Visualisierung von 3D-Zellkulturen eingesetzt wird, meist auf kleine 3D-Zellkulturen mit einem maximalen Durchmesser von 500 Mikrometern.

OCT als Chance zur Visualisierung von 3D Zellkulturen

Das Whitepaper erläutert das Potenzial der OCT als schnelle und nicht-invasive Methodik zur Visualisierung von 3D-Zellkulturen, zeigt ihre üblichen Grenzen auf und beschreibt darüber hinaus Ansätze, wie sich die bestehenden Einschränkungen, wie zum Beispiel der limitierte Tiefenmessbereich, überwinden lassen. Darüber hinaus könnte eine weitergehende Automatisierung von OCT-Systemen einen breiteren Einsatz bei Laboranwendungen eröffnen. „Unser Ziel ist es, die OCT-Technologie für das Labor von morgen vorzubereiten und digitale und automatisierte Teilkomponenten einzubinden. Auf diese Chancen möchten wir mit dem vorliegenden Whitepaper aufmerksam machen“, erläutert Enno Hachgenei, Leiter der Gruppe „Optische Messtechnik und Bildgebende Verfahren“ am Fraunhofer IPT.

Kontakt

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Steinbachstraße 17
52074 Aachen
Nordrhein-Westfalen, Deutschland

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