Mikrofluidische Plattformen: Förderung des Europäischen Forschungsrats für Freiburger Biophysiker

Der Biophysiker Dr. Matthias Meier vom Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg erhält für seine Forschung an Stammzellen einen mit zwei Millionen Euro dotierten Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC).

Meier entwickelt mikrofluidische Plattformen, die mit kleinsten Flüssigkeitsmengen arbeiten. Auf den Chips, die so groß sind wie eine Daumenkuppe, finden Hunderte von Zellkulturen Platz. Hauchdünne Flüssigkeitskanäle erstrecken sich über die ganze Plattform und versorgen die Zellen auf ihr mit Nährstoffen. Mithilfe der Chips will Meiers Arbeitsgruppe herausfinden, welche körpereigenen Signale Stammzellen dazu bringen, sich in unterschiedliche Typen von Fettzellen zu entwickeln.

Das Fettgewebe dient dem Menschen als Hauptenergiereserve. Der Körper eines erwachsenen Menschen mit einem durchschnittlichen Gewicht enthält etwa 20 bis 27 Milliarden Fettzellen. Adulte Stammzellen innerhalb des Gewebes sorgen für einen stetigen Nachschub, indem sie sich teilen. Sie oder ihre Nachkommen werden dann ebenfalls zu Fettzellen. Wenn ein Mensch mehr Energie aufnimmt und speichert, als er verbraucht, führt dies langfristig zu Fettleibigkeit und Stoffwechselkrankheiten wie Typ-2-Diabetes.

Doch Fett ist nicht gleich Fett. Der Körper besitzt eine große funktionelle Heterogenität bei der Einlagerung und Mobilisierung von Energiereserven. In den vergangenen Jahrzehnten hat die Forschung aufgedeckt, dass sich Fettdepots in ihrer Struktur und Zellzusammensetzung stark voneinander unterscheiden. So ist heute bekannt, dass metabolische Unterschiede in den Fettdepots durch farblich unterscheidbare Typen von Fettzellen organisiert werden. Weiße Fettzellen speichern Energie, während beigefarbene und braune in der Lage sind, weißes Fett über Wärmeentwicklung abzubauen. Eine Strategie, um die Energiebilanz auszugleichen und Fettleibigkeit und Typ-2-Diabetes zu mindern, ist es deshalb, weißes in beigefarbenes Fettgewebe umzuprogrammieren.

Das bisherige Haupthindernis für die Umsetzung dieser Strategie ist das Fehlen von Testsystemen, denen es gelingt, die Umgebungseigenschaften des menschlichen Fettgewebes außerhalb des Körpers nachzubilden. An dieser Stelle setzt Meiers Forschung an – mit dreidimensionalen Fettgewebemodellen auf neuen mikrofluidischen Plattformen.

„Mit den zu entwickelnden Technologien wollen wir die unterschiedlichen mechanischen, chemischen sowie strukturellen Fettgewebeeigenschaften des Menschen nachbauen und simulieren“, erklärt der Biophysiker. Dies soll insbesondere durch die Kombination von modernen 3-D-Druckverfahren mit der Mikrofluidik gelingen. So wollen die Forscherinnen und Forscher herausfinden, wie sich Stammzellen in reife Fettzellen differenzieren und wie sich der Vorgang möglicherweise so steuern lässt, dass sich beigefarbene und braune Fettzellen bilden. „Das Fernziel ist eine Zelltherapie, um Fettleibigkeit und Typ-2-Diabetes zu bekämpfen, die genau auf eine Patientin oder einen Patienten zugeschnitten ist.“

Matthias Meier leitet seit 2012 die Arbeitsgruppe „Ingenieurswissenschaften für Mikrofluidik und Biologie“, am IMTEK und ist assoziiertes Mitglied des Exzellenzclusters BIOSS Centre for Biological Signalling Studies. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert die Gruppe im Emmy-Noether-Programm. 2018 wird Meier an den an den Pioneer Campus der Helmholtz-Gesellschaft wechseln.