Engineering for Life – Ing4Life
Biologische Systeme sind extrem komplex und verändern sich ständig. Die höchste Komplexität und auch Empfindlichkeit gegen Störungen besitzen hierbei die Nervenzellen im menschlichen Gehirn. Klassische Messverfahren können diese feinen Prozesse oft nur unzureichend erfassen oder beeinflussen die Zellen selbst. Genau hier setzt das Projekt Ing4Life an: Es entwickelt neue, winzige Messsysteme auf einem Chip, die es ermöglichen, lebende Nervenzellen unter möglichst natürlichen Bedingungen in Echtzeit zu beobachten – mit hoher Genauigkeit, Effizienz und Reproduzierbarkeit.
Dazu werden moderne Technologien aus der Mikroelektronik, Optik und Mikrofluidik auf Chip-Systemen kombiniert; z.B. werden neue Technologien benötigt, um die Analyse mehrerer Parameter in einzelnen, ungestörten lebenden Zellen in Echtzeit zu ermöglichen. Diese Technologien sollten multiplexfähig sein, um die gleichzeitige Analyse vieler Zellen zu ermöglichen, und sie sollten sich für die Massenproduktion eignen, um die Kosten zu minimieren. Fortschritte in den Bereichen Mikrofluidik, Mikrofabrikation und mikroelektromechanische Systeme (MEMS) werden zusammenfassend als „Lab-on-a-Chip” bezeichnet. Auf diesen Chips können Nervenzellen kontinuierlich mit Nährstoffen versorgt, gezielt angeregt und gleichzeitig elektrisch und optisch vermessen werden. Durch die starke Miniaturisierung wird die Störung der Zellen minimiert, sodass ihre natürliche Funktion erhalten bleibt.
Ein besonderer Fokus liegt auf dem Gehirn, da Nervenzellen dort nicht nur Signale weiterleiten, sondern sich auch ständig anpassen, miteinander vernetzen und mit sogenannten Gliazellen interagieren. Störungen dieses empfindlichen Gleichgewichts spielen eine zentrale Rolle bei altersbedingten Erkrankungen. Neue Erkenntnisse darüber könnten helfen, die Ursachen von Demenz besser zu verstehen und gezielt neue Medikamente zu entwickeln.
Projektfortschritt
Oktober 2026
Seit dem Projektstart Anfang 2026 wurden bereits erste wichtige Fortschritte erzielt. Durch spezielle Oberflächenbehandlungen konnten die Bedingungen für das Wachstum von Nervenzellen auf den Chips verbessert werden. Damit werden wichtige Voraussetzungen geschaffen, um künftig die elektrische Aktivität von Nervenzellen direkt auf den Chips zu messen.
Auch die optische Plattform zur Untersuchung der Kommunikation zwischen Nervenzellen wurde weiterentwickelt. Sie ermöglicht es, zwei miteinander verbundene Bereiche eines Chips gleichzeitig zu beobachten. Schmale Kanäle verbinden die Bereiche und ermöglichen es den Fortsätzen der Nervenzellen (Axonen), hindurchzuwachsen, während die Zellkörper getrennt bleiben. Mithilfe gezielter Lichtreize und der Zugabe von Substanzen wie Glutamat können die Forschenden untersuchen, wie Nervenzellen auf unterschiedliche Reize reagieren und wie sich Signale zwischen den Bereichen ausbreiten.
Parallel wird an speziellen MicroLED-Chips gearbeitet, die strukturierte Lichtmuster erzeugen und künftig in kompakten Mikroskopen mit besonders hoher Auflösung eingesetzt werden sollen. Außerdem werden Sensorsysteme entwickelt, mit denen sich beispielsweise die Temperatur und bestimmte Substanzen innerhalb der Chips messen lassen.
Langfristig sollen die verschiedenen Technologien zu sogenannten „Lab-on-a-Chip“-Systemen zusammengeführt werden. Diese sollen es ermöglichen, lebende Nervenzellen unter kontrollierten Bedingungen kontinuierlich zu beobachten und ihre Reaktionen auf unterschiedliche Reize zu untersuchen. Mit den bisherigen Entwicklungen rückt das Ziel näher, komplexe Vorgänge in Nervenzellen möglichst genau und unter möglichst natürlichen Bedingungen auf einem Chip zu erfassen. So sollen künftig auch krankheitsbedingte Veränderungen im Gehirn besser untersucht und neue Erkenntnisse über Erkrankungen wie Alzheimer gewonnen werden.
Mittel des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) und des Landes Niedersachsen Programmgebiet Stärker entwickelte Region (SER); Förderperiode 2021-2027.
Prof. Dr. Martin Korte
TU Braunschweig
Institut für Zell- und Neurobiologie (IZN)
Abt. Zelluläre Neurobiologie
Telefon: +49 (0)531 391 3220
Email: m.korte@tu-braunschweig.de
Dr. Anita Remus
TU Braunschweig
FSP Engineering for Health - BRICS Geschäftsführung
Telefon: +49(0)531 391 55102
Email: a.remus(at)tu-braunschweig.de