Ob Wirkstoffscreening oder Toxizitätsprüfung: Stammzellbasierte 3D-Gewebemodelle sind ein wesentlicher Bestandteil der biomedizinischen Forschung. Die Produktion von Zellaggregaten in Bioreaktoren ist jedoch hochkomplex und kostenintensiv. Bisher wird die Qualität erst am Prozessende überprüft, was mit einem hohen Risiko hinsichtlich Zeit- und Materialverlust verbunden ist.
Forschende der Fraunhofer-Institute für Biomedizinische Technik IBMT und für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP haben am Fraunhofer-Zentrum für Sensor-Intelligenz ZSI nun gemeinsam ein intelligentes Sensorsystem entwickelt, das den gesamten Herstellungsprozess kontinuierlich überwacht und verbessert. Das Fraunhofer IBMT bringt seine Expertise in der Entwicklung verbesserter, standardisierter Zellkulturtechniken und neuer Modellsysteme für die Stammzellforschung ein. Die Multimodale Autarke Sensorplattform MAUS des Fraunhofer IZFP ermöglicht das zukunftsweisende Sammeln und Weiterleiten von Sensordaten und hieraus abgeleiteten Informationen.
Abgestimmte Sensorik und klare Qualitätsaussage
Im aktuellen Forschungsprojekt SpheroSense stattete das Team des Fraunhofer IBMT einen kommerziellen Bioreaktor für 3D-Zellsphäroide – das sind kugelförmige Zellmodelle, die Gewebe imitieren können – mit zwei Sensorebenen aus. Elektrochemische Sensoren für Glukose, Laktat, gelösten Sauerstoff, pH-Wert und Temperatur überwachen die Umgebung der Zellen. Kameras charakterisieren die Zellaggregate optisch. Sie analysieren kontinuierlich und in Echtzeit Größe, Anzahl und Qualität der Sphäroide. Dadurch entsteht eine Wachstumskurve, die Rückschlüsse auf optimale Bedingungen erlaubt.
Für die optische Qualitätskontrolle setzen die Forschenden auf zwei Kamerapfade: Eine In-situ-Kamera fokussiert die rotierenden Röhrchen des Reaktors und erkennt die Sphäroide in der Schwebe. Eine weitere Kamera erfasst die Sphäroide, wenn sie durch einen Mikrofluidik-Kanal gesaugt werden. Die eingebundene KI erkennt und klassifiziert die Zellaggregate innerhalb von Millisekunden. Die MAUS-Edge-KI-Plattform bündelt alle Sensordaten, wertet sie direkt vor Ort aus und übergibt die Ergebnisse an eine Datenbank.
Objektive und automatisierte Qualitätskontrolle für 3D‑Zellsphäroide
Die Fraunhofer-Fachleute bringen mit ihrer Lösung die Qualitätskontrolle in die laufende Produktion: Sie ist objektiv, automatisierbar und kosteneffizient. Denn allein die Medien für Stammzellen sind teuer und ihre Kultivierung ist zeitaufwändig. „Wir gewährleisten die objektive Bewertung durch KI anstelle einer subjektiven Einschätzung, die laufende Überwachung und perspektivische Anpassung der Prozessparameter und nicht zuletzt die Anschlussfähigkeit an moderne Prozessführung im Pharma- und Biotech-Sektor“, erklärt Projektleiter Dr. Thomas Velten vom Fraunhofer IBMT. „Unsere Lösung entspricht modernen Konzepten wie Process Analytical Technology (PAT) und Continuous Process Verification, wie sie von der FDA und der EMA gefordert werden.“ Dabei arbeitet das System label-free, das heißt, es sind keine Färbungen nötig und die Sphäroide bleiben unbeschädigt.
Datensouveränität von Anfang an
Ein zusätzliches Plus: Die Lösung arbeitet ohne Cloud-Anbindung und erfüllt somit höchste Anforderungen an die Datensicherheit. Auf Wunsch ist eine Anbindung möglich, standardmäßig verbleiben die sensiblen Prozessdaten jedoch beim Auftraggeber.
Das System kann an unterschiedliche Einsatzszenarien angepasst werden – von der Stammzellforschung bis zur industriellen Zellproduktion. „Unsere Plattform MAUS bietet Rapid Prototyping für jegliche Monitoring-Anwendungen. Modular konzipiert kann sie flexibel adaptiert und ganz nach Bedarf schnell und unkompliziert erweitert werden“, erläutert Christoph Weingard, Entwickler für Sensor-Intelligenz und Mikroelektronik am Fraunhofer IZFP. „Für SpheroSense haben wir etwa Funkmodule mit Bluetooth und Near Field Communication, also NFC, umgesetzt, um die Sensoren innerhalb der Röhrchen auszulesen – ohne zusätzliche Kabel. Es wird einfach ein entsprechendes Steckmodul aufgebracht – und die Überwachung läuft.“
Das Gesamtsystem wird am Fraunhofer-Zentrum für Sensor-Intelligenz ZSI im laufenden Betrieb erfolgreich genutzt – mit direktem Feedback der Kolleginnen und Kollegen, die 3D-Zellsphäroide herstellen und in weiterführenden Projekten mit ihnen arbeiten. Die Fachleute stellen ihre Lösung vom 24. bis 27. März 2026 auf der Analytica in München vor. Auf der Weltleitmesse für Labortechnik, Analytik und Biotechnologie können sich Besucherinnen und Besucher ein Bild vom Gesamtsystem inklusive Sensoren, Kameras und Echtzeit-Datenanalyse machen.
