Gericht gedrukt

Celvalarray: Celvallen gemaakt van silicium (links). In de celvallen (rechts) geïsoleerde cellen (groen) en een cellen die erlangs stroomt (slanglijn). © Fraunhofer IMM / Fig. 2 Celvalarray: celvallen gemaakt van silicium (links). Rechts: geïsoleerde cellen in de celvallen (groen) en cellen die erlangs stromen (slanglijn). © Fraunhofer IMM

Celval met nozzle: Door de juiste structuur van de celval wordt de individuele cel uit het stromende medium geïsoleerd van de rest van de cellen en kan deze worden geprint. © Fraunhofer IMM / Celval met nozzle: De structuur van de celval is ontworpen om de individuele cel te isoleren van de rest van de cellen in het vloeibare medium, zodat deze klaar is om te worden geprint. © Fraunhofer IMM

Veelbelovende perspectieven voor gepersonaliseerde geneeskunde: experts van het Fraunhofer-instituut voor Microtechnologie en Micro systemen IMM gebruiken hun knowhow in microfluidica en single-cell technologieën om orgaanstructuren te printen.

Single-cell technologieën spelen een sleutelrol bij het onderzoek en de karakterisering van cellen. Dr. Christian Freese, groepsleider infectie- en kankerdiagnostiek bij Fraunhofer IMM, en zijn collega’s gebruiken microfluidica om individuele cellen gericht te isoleren en te onderzoeken. In hun liquid biopsy diagnostiekplatform detecteren en dispenseren ze succesvol circulerende tumorcellen (CTC's) en andere biomarkers uit vloeibare biopsieën voor een barrièrevrije, uitgebreide diagnostiek. Maar voor de wetenschappers was dat niet genoeg: waarom niet iets opbouwen met de geïsoleerde cellen?

Het Fraunhofer-IMM-TrapJet-principe

Met het doel om hun ontwikkelingen en methoden voor het printen van cellen te gebruiken, realiseerden ze in de cleanroom van hun instituut speciale microfluidische structuren op silicium gebaseerde wafers, ware cellvallen: de experts voeren humane cellen in microfluidische chips in kleine kanalen in. In de stroom worden de cellen daar gevangen in speciale structuren. De specifieke geometrie zorgt ervoor dat alleen individuele cellen worden opgenomen, terwijl andere cellen doorstromen naar de volgende vrije celval.

Aangezien meerdere vallen achter elkaar in hetzelfde kanaal zitten, kunnen de experts doelgericht en gelijktijdig cellen uitsluiten op verschillende plaatsen – en de cellenvallen vervolgens opnieuw bezetten.

Net als bij een inkjetprinter dispenseert een verwarmingsblaasje de cel uit de nozzle en legt deze in een klein druppeltje. Verschillende celtypen krijgen aparte printkoppen en worden – in eigen microfluidische kanalen continu – parallel geprint.

»Alle parameters die een succesvolle bioprinting vereisen, dekken wij af met microfluidica: wij printen cellen on-demand, steriel en snel. Tegelijkertijd garandeert het proces een hoge levensvatbaarheid van de geprinte cellen. Dit omvat ook het gebruik van de karakteristieke biotinten, die bestaan uit de cel en een vloeistof die afhankelijk van het celtype specifiek is en die ook in microfluidica hanteerbaar is«, legt Freese uit.

Veel bestaande methoden produceren slechts een dunne lijn van biotinten, waarin cellen willekeurig verdeeld zijn. De experts van Fraunhofer printen kleinste druppels, nauwelijks groter dan de cel zelf. Hierdoor bereiken ze een bijzonder hoge resolutie: elke cel wordt precies geplaatst en kan direct interageren met de naburige cellen. Op deze manier willen ze bijvoorbeeld orgaankweken opbouwen, waarop de industrie medicijntests zou kunnen uitvoeren. Het uitgesproken doel van de Fraunhofer-experts: weefsels printen voor huidtransplantaties of hele organen.

Meer microfluidica voor de geneeskunde

Om het enorme potentieel voor de geneeskunde optimaal te benutten, starten de experts van Fraunhofer IMM volgend jaar samen met collega’s van de afdeling »Klinische Gezondheidstechnologieën« van het Fraunhofer-instituut voor productie- en automatiseringstechnologie IPA in Mannheim een centrum voor single-cell technologieën (»LZ-EZT«), waarin ze hun expertise bundelen en verder ontwikkelen.

Op de beurs Medica 2024 presenteerden de experts hun oplossingen bij de Fraunhofer-gemeenschapsstand. Naast de single-cell printtechnologie konden bezoekers in een speciaal ontwikkeld VR-spel het markeren van zeldzame cellen en hun latere isolatie op een speelse manier uitproberen.