Mikrophysiologische Systeme und Organ-on-Chip-Technologien werden zunehmend zur Modellierung menschlicher Gewebe außerhalb des Körpers eingesetzt und bieten Alternativen zu Tierversuchen und traditionellen Zellkulturen. Die Überwachung der biologischen Aktivität innerhalb dieser Systeme bleibt jedoch eine Herausforderung. Herkömmliche Fluoreszenzbildgebung basiert typischerweise auf großen Mikroskopen, die weit vom Gewebe entfernt positioniert sind, was die kontinuierliche Beobachtung, Skalierbarkeit und Langzeitmessungen einschränkt. Darüber hinaus können wiederholte Handhabungen und Transfers physiologische Bedingungen stören und zu Variabilität führen. Obwohl Fluoreszenz eine leistungsstarke und weit verbreitete Erfassungsmethode ist, wurde ihre Integration in kompakte On-Chip-Plattformen durch die Größe optischer Komponenten und die begrenzte Systemintegration eingeschränkt. Basierend auf diesen Herausforderungen besteht eindeutig die Notwendigkeit, tief integrierte, miniaturisierte Fluoreszenzüberwachungssysteme für kontinuierliche In-situ-Messungen zu entwickeln.
Forscher des KTH Royal Institute of Technology und des Karolinska Institutet Berichtet (DOI: 10.1038/s41378-025-01073-4) Am 12. November 2025 in Mikrosysteme und Nanotechnik Die Entwicklung eines vollständig integrierten mikrooptischen Systems zur kontinuierlichen Fluoreszenzüberwachung lebender Mikrogewebe. Die Studie zeigt, wie die Chip-Skala-Plattform mit mikrophysiologischen Systemen kombiniert werden kann, um die funktionelle Aktivität in dreidimensionalen Geweben über Stunden hinweg zu verfolgen. Durch die Validierung des Systems mithilfe von Pankreasinselmodellen zeigt das Team, dass komplexe Zelldynamiken in Echtzeit überwacht werden können, ohne auf sperrige externe optische Instrumente angewiesen zu sein.
Das neu entwickelte System integriert alle wesentlichen optischen Komponenten, einschließlich einer Mikrolichtdiode, eines Fotodetektors, optischer Filter und eines speziell entwickelten Lichtleiters, in eine kompakte Struktur mit einer Größe von etwa 1 mm—. Ein Mikrokäfig stabilisiert das Gewebe physikalisch und sorgt gleichzeitig für eine physiologisch relevante Umgebung, sodass Licht fluoreszierende Signale anregen und Emissionen in unmittelbarer Nähe sammeln kann. Dieses Design minimiert den Signalverlust und ermöglicht stabile Langzeitmessungen direkt auf dem Chip.
Um die Leistung zu demonstrieren, überwachten die Forscher Pankreasinseln, die so konstruiert waren, dass sie einen kalziumempfindlichen Fluoreszenzindikator exprimierten. Calciumoszillationen innerhalb dieser Inseln spiegeln die funktionelle Aktivität im Zusammenhang mit der Insulinsekretion wider. Das System zeichnete über zwei Stunden lang erfolgreich rhythmische Kalziumsignale auf und erfasste sowohl langsame Schwingungen als auch schnelle Reaktionen auf chemische Stimulation. Wichtig ist, dass die Plattform eine klare Signaltrennung zwischen Anregungs- und Emissionswellenlängen erreichte und so Hintergrundrauschen und Phototoxizität reduzierte.
Im Vergleich zur herkömmlichen Fluoreszenzmikroskopie bietet das integrierte System vergleichbare funktionelle Auslesungen und macht gleichzeitig eine sperrige Optik und manuelle Ausrichtung überflüssig. Seine geringe Stellfläche ermöglicht auch den parallelen Einsatz mehrerer Sensoren und öffnet so die Tür zu skalierbaren Experimenten mit hohem Durchsatz und der Überwachung mehrerer Organe innerhalb miteinander verbundener Chipplattformen.
“Diese Arbeit zeigt, dass die fortgeschrittene biologische Überwachung nicht mehr auf große externe Instrumente angewiesen ist, sagten die leitenden Forscher der Studie. “Indem wir Fluoreszenzanregung und -detektion direkt neben das Gewebe bringen, können wir lebende Systeme kontinuierlich und mit minimaler Störung beobachten. Dieser Ansatz macht langfristige Funktionsstudien praktischer und reproduzierbarer, insbesondere für komplexe Mikrogewebe. Es schafft auch neue Möglichkeiten für die Integration von Sensortechnologien in Organ-on-Chip-Modelle, die reale physiologische Bedingungen besser widerspiegeln.”
Das integrierte mikrooptische System bietet ein breites Potenzial für biomedizinische Forschung und Arzneimittelentwicklung. Eine kontinuierliche In-situ-Überwachung der Gewebefunktion könnte Studien zu chronischen Krankheiten, Arzneimitteltoxizität und Behandlungswirksamkeit verbessern, indem langsame oder subtile biologische Veränderungen erfasst werden, die in Momentaufnahmeexperimenten oft übersehen werden. Über die Pankreasinseln hinaus könnte die Plattform für Herz-, Nerven- oder andere Organoidmodelle angepasst werden und so Studien zur Interaktion mehrerer Organe unterstützen. Durch seine kompakte und modulare Bauweise eignet es sich auch für das Hochdurchsatz-Screening und die automatisierte Analyse. Letztendlich bringt diese Technologie Organ-on-Chip-Plattformen zu präziseren, skalierbareren und physiologisch relevanteren Werkzeugen zur Untersuchung der menschlichen Gesundheit und Krankheit.
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