3R Kompetenzen
Das Bioengineering Labor (BEL) entwickelt Geräte für den Bereich der Mikrofluidik, welche mit Mikrogeweben aus verschiedenen Zelltypen verwendet werden. Damit können die Auswirkungen von pharmakologischen Stoffen auf Zelltypen und grundlegende Wechselwirkungen zwischen Geweben untersucht werden („Body-on-a-Chip“, «Körper auf einem Chip» Konzepte). Darüber hinaus entwickelt das BEL komplementäre Mikroelektrodenarrays auf der Basis von Metalloxidhalbleitern (CMOS) mit hoher Dichte, um die neuronale Funktion unter normalen und pathologischen Bedingungen mit subzellulärer Auflösung zu untersuchen. In einem kürzlich durchgeführten Projekt präsentierte die Gruppe ein mikrofluidisches Gerät, das embryonale Stammzellen (ES) und Leberzellkügelchen enthält, um die potenziell schädlichen Auswirkungen von z.B. Medikamentenmetaboliten auf die embryonale Entwicklung zu messen. Das entwickelte Gerät liefert damit zusätzliche Informationen zum bereits bestehenden embryonalen Stammzelltest (EST).
Schlüsselwörter: ES cells, iPS cells, microtissue, brain organoids, microfluidic system, hanging drops, tilting device, microelectrodes, biosensors
Das Labor für Knochenbiomechanik (LBB) untersucht mit unterschiedlichen Modellsystemen und Ansätzen die Knochenbiologie, von der molekularen Ebene bis zum Gesamtorgan. In den derzeit laufenden Projekten werden nicht nur umfassende in vitro Systeme wie 3D gedruckte Knochenmikrogerüste und 3D Hydrogel-basierte Knochenorganoide zur zuverlässigen Rekapitulation von in vivo Merkmalen aufgebaut, sondern auch in silico Modelle für Knochenanpassung und Frakturheilung. Diese basieren auf Mikrostrukturbildern, die mit der Zeitrafferfunktion eines mikro-Computertomographen (mikro-CT) erstellt wurden. Des Weiteren wurden mehrere hauseigene Bioreaktoren entwickelt, welche mechanische Belastungen in Zellkulturen simulieren können.
Schlüsselwörter: 3D hydrogel-based bone cultures and co-cultures, microscale scaffolds, bone organoids, 3D bioprinting, time-lapsed microCT imaging, bioreactors for mechanical stimulation, in silico predictive models, human primary cells to model rare bone diseases
Das Labor für Lebensmittelbiotechnologie hat eine Reihe von in vitro Darmfermentationsmodellen entwickelt, in denen die fäkale Mikrobiota von gesunden oder erkrankten Spendern (Mensch und Tier) isoliert und unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen kultiviert werden können. Darüber hinaus werden verschiedene Zellmodelle verwendet, um zelluläre Reaktionen auf Mikrobiom-Metaboliten zu testen und spezifische Mechanismen zu untersuchen. Solche Ansätze werden erfolgreich eingesetzt, um die Mechanismen von Nahrungsbestandteilen, Mikroben und Xenobiotika auf die Darmmikrobiota und die Wirtsantwort zu verstehen und um eine mikrobiombasierte Therapie für verschiedene darmassoziierte Krankheiten zu entwickeln.
Schlüsselwörter: fermentation, cell culture, in vitro gut models, microbiome-host interactions, PolyFermS continuous colonic models, 3D organoid Colon Chip
Das Labor für Biosensoren und Bioelektronik (LBB) etabliert eine skalierbare Technologie zum Aufbau kleiner, in ihrer Orientierung klar definierten neuronaler Netze. Diese werden zur Untersuchung von grundlegenden neurowissenschaftlichen Fragen wie Gedächtnis und Lernen verwendet. Dies könnte auch als vielversprechender «brain on a chip» (Gehirn auf einem Chip) Ansatz für die Wirkstoffforschung bei Gehirnerkrankungen dienen. Weiter können 3D Zellkulturen und Krankheitsmodelle mit speziellen Hydrogel-Gradienten in Mikrotiterplatten erstellt werden. Darüber hinaus hat das LBB ein neues bioanalytisches Tool entwickelt, mit dem Immunoassays in winzigen (1 µl) Proben für die Kleintieranalyse durchgeführt werden können. Damit kann die Anzahl der Versuchstiere verringert werden, die für ein Experiment erforderlich sind. Diese Technologien werden von den ETH Spin-offs Ectica und ImmuProbe kommerzialisiert.
Schlüsselwörter: controlled neural networks, biosensors, bioanalytics, single cells, microsampling
Die Tissue Engineering and Biofabrication Gruppe führt translationelle Forschung zur Knorpelregeneration durch, wobei Technologien wie additive Fertigung (3D-Bioprinting) und Elektrospinnen zum Einsatz kommen. Die Forschungsschwerpunkte liegen im Bereich des Bioink Engineering, der Untersuchung geeigneter Biomaterialien für 3D Kulturen verschiedener Zelltypen (Chondrozyten, Neuronen) und der Erforschung neuer Zelltypen für Zwecke der regenerativen Medizin (humane Säuglings-Chondrozyten).
Schlüsselwörter: hydrogel engineering, bioinks, 3D cartilage cultures, chondrocytes, human iPSc, 3D bioprinting, electrospinning, cryoelectrospinning, 2 photon litography
Das Labor für orthopädische Biomechanik untersucht die Grundlagen der Sehnenbiologie mittels selbstentwickelten Gewebeexplantationsmodellen und einer Reihe von 2D und 3D („Sehnen auf einem Chip“) in vitro Modellen. Diese Modelle werden typischerweise mit mechanischen Reizen kombiniert, häufig unter Verwendung von selbstentworfenen mechanischen Bioreaktoren.
Schlüsselwörter: cell-matrix interaction, collagen matrix biology, PEG hydrogels, tendon, tendon explant model,
tendon-on-chip, 3D co-culture, tri-culture, 3D fibroblast-matrix models, mechanical bioreactors, in silico models of cell motility, human cells
externe Seite Die Gruppe der multifunktionalen und molekularen Bildgebung war massgeblich an der Entwicklung der multispektralen optoakustischen Tomographie (MSOT) beteiligt und hat diese neuartige Bildgebungstechnologie von der ersten Demonstration der technischen Machbarkeit, über die Validierung in Kleintierstudien bis hin zu ihrer erfolgreichen klinischen Anwendung entwickelt. Das MSOT wird heutzutage bereits als aussagekräftiges neues klinisches Diagnosewerkzeug in den Bereichen Onkologie, Dermatologie, Herz-Kreislauf- und Entzündungskrankheiten eingesetzt.
Schlüsselwörter: functional and molecular imaging, longitudinal observations, multimodal imaging, multi-spectral optoacoustic tomography, biomedical imaging, photoacoustics, microscopy, ultrasound
Im Einklang mit dem Forschungsschwerpunkt zur Untersuchung epigenetischer Kontrollmechanismen in einem Zellschicksal während der Entwicklung hat die Gruppe des Professors Wutz erfolgreich ein Protokoll zur Erzeugung von haploiden embryonalen Mausstammzellen (haESC) erstellt. Die entwickelte Methode ermöglicht nicht nur die Untersuchung der Inaktivierung von X-Chromosomen, sondern kann auch als Instrument für das genomweite Screening verwendet werden, was zu einer potenziellen Reduktion der erzeugten Mäusemutanten führt. Zusätzlich testete die Gruppe Anti-Inhibin-Antikörper und bestätigte ihre Wirksamkeit zur Erhöhung der Anzahl ovulierter Eizellen.
Schlüsselwörter: ES cells, mouse haploid ES (haES), stem cells sorting
Das Ziel des Labors für Lebensmittel Immunologie ist die Prinzipien des Zusammenspiel zwischen dem Immunsystem und dem Darm zu verstehen und neuartige Schluckimpfungen und die Lebensmittel basierte Therapeutik zu entwickeln. In Zusammenarbeit mit Professor Martin Ackermann die Gruppe hat das ganz neue anaerobische mikrofluidische (in vitro) System begründet, um das Verhalten der Darmbakterien auf einer einzelnen Zellebene unter den vorsichtig manipulierten umgebenden Bedingungen zu untersuchen. Dieser Ansatz in Kombination mit Computersimulation bietet die wertvolle Daten über Wirts-Mikroben Interaktionen und vermindert wertig die weiteren erforderlichen Tierversuche.
Schlüsselwörter: anaerobic microfluidic chamber, computer simulation (modelling), microbiome-host interactions
Die Gruppe der experimentellen Kontinuumsmechanik charakterisiert mittels mathematischen Modellen, welche auf experimentellen Daten und Computersimulationen basieren, das mechanische Verhalten von weichen biologischen Geweben wie z.B. Fötusmembranen, dem Perikard, der Haut oder auch diversen biomedizinischen Materialien. Die daraus generierten Vorhersagemodelle werden für die Verbesserung und Entwicklung von neuen Implantaten, Geräten sowie Diagnosewerkzeugen verwendet.
Schlüsselwörter: constitutive models, large deformations, soft biological tissue, biomedical materials, implants, biomedical device development, computer simulation, bioreactors for cell culturing
Die Computational Biologie Gruppe (CoBi) untersucht die Prozesse der Organogenese und kreiert in silico räumliche und zeitliche Modelle, die auf in-vitro-3D-Organkulturen in Kombination mit hochauflösender Bildgebung basieren.
Schlüsselwörter: in silico organogenesis (kidney, lung, pancreas, CNS, limb), 3D organization of epithelia, mechanisms of cell-cell signaling, tissue simulation, computer and image-based modelling
Das Labor für Orthopädietechnik untersucht die Degeneration der Bandscheiben und entwickelt neue Regenerationsstrategien unter Verwendung von 3D ex vivo Zellkulturmodellen, die aus Bandscheiben von Grosstieren* sowie menschlichen Lendenscheibenzellen kultiviert werden. Mit selbsthergestellten Bioreaktoren werden physiologische mechanische Belastungen simuliert.
* Rindergewebe aus der Lebensmittelindustrie
Schlüsselwörter: primary chondrocytes, primary IVD cells, scaffolds, 3D ex vivo IVD organ culture model, bioreactors for mechanical load, 3D human lumbar IVD cell cultures, A-disc explants, computer modelling, mechanical characterisation
Der Forschungsschwerpunkt des Labors von Prof. Zamboni liegt in der quantitativen Analyse von Metaboliten und der Identifizierung mechanistischer Grundlage für Stoffwechselveränderungen, die sich aus genetischen Veränderungen, Arzneimittelverabreichung, Stressbedingungen und anderen Umwelteinflüssen ergeben. Dank der verwendeten Ansätze kann die Information aus einer einzelnen Probe maximiert werden und die Ergebnisse werden praktisch in Echtzeit geliefert.
Schlüsselwörter: metabolomics, stable isotope flux analysis, mass spectrometry, bottom-up approach, high-throughput screening, quantitative approach, computational data integration
Ein Forschungsschwerpunkt der Produkteentwicklungsgruppe Zürich ist die Verbesserung und Entwicklung von medizinischen Geräten, die schnell an Kliniken ausgeliefert werden können. Dabei entwickelt die Gruppe leidenschaftlich sogenannte „Prüfstände“ und „Phantome“, um pathophysiologische Zustände nachzuahmen und so biomedizinische Geräte unter exakten Bedingungen herzustellen, zu verbessern und reproduzierbar zu testen. Zum Beispiel wurde ein Prüfstand gebaut, der einen Hydrozephalus imitieren kann. Dieser umfasst eine Hardwareschnittstelle und ein genaues mathematisches Modell, das aus in vivo und klinischen Daten abgeleitet wurde. Dieses Konzept (Hardware-in-the-Loop) wird erfolgreich eingesetzt, um die Funktionalität von momentan in der Klinik zur Therapie von Hydrocephalus verwendeten Shunts zu testen. Analog wird derzeit in einem simulierten Herz-Kreislauf-Modell das linksventrikuläre Unterstützungssystem (LVAD) für mögliche weitere Anwendungsgebiete geprüft. Ebenfalls arbeitet die Gruppe an der Verbesserung von Qualität und Standardisierung in der Herstellung von in vitro Hautmodellen, die für die Grundlagenforschung in grossem Umfang eingesetzt werden können.
Schlüsselwörter: mathematical modelling, hydrocephalus simulator, in vitro skin models, hybrid mock circulation, silicone heart phantom