Die "Zuckerkrankheit" Diabetes wird durch Autoimmunzerstörung von Insulin-sezernierenden Beta-Zellen (Typ 1) bzw. durch erworbene Insulinresistenz mit stetigem Verlust der funktionellen Beta-Zell-Masse (Typ 2) ausgelöst. Aktuelle Behandlungen leisten keine vollständige Kontrolle des Blutzuckers, was langfristig zu schwerwiegenden Komplikationen, wie zum Beispiel "diabetischem Fuß" und Schädigung der Augennetzhaut, führen kann. Beta-Zell-Ersatz- und Regenerationstherapie stellen eine vielversprechende Option für eine verbesserte Therapie und Lebensqualität von Millionen von Diabetes-Patienten dar. Aus Stammzellen generierte Beta-Zellen sind eine notwendige und vielversprechende alternative Quelle für die Transplantation. Zellmaterial von verstorbenen Spendern ist allerdings nur in geringen Mengen verfügbar. Zudem verfügen wir noch nicht über ein ausreichendes Verständnis der Signale und Faktoren, welche die Entwicklung und Reifung von Beta-Zellen in Kultur steuern. Mit Hilfe der Mikrofluidik wird ein miniaturisiertes und leistungsfähiges System zur Kultur und Analyse von Beta-Zellen und ihren Vorläufern erstellt, der "PancChip". Zunächst werden darauf in zweidimensionalen Zellkulturen die Bedingungen für die optimale Entwicklung von Stammzellen zu Beta-Zell-Vorläufern ermittelt werden. Später wird ein PancChip für die Kultur von dreidimensionalen "Organoiden" entwickelt werden. Diese vielzelligen Strukturen werden der Organisation der Beta-Zellen in den Langerhans´schen Inseln der Bauchspeicheldrüse ähneln. An diesen Organoiden werden die Mechanismen für die Entstehung von Diabetes und Ansätze für deren Therapie, wie z. B. Möglichkeiten der Regeneration von Beta-Zellen und Ansatzpunkte für Wirkstoffe, untersucht. Weiterhin wird es möglich sein, individuelle genetische Varianten der Erkrankung hinsichtlich ihres Ansprechens auf mögliche Wirkstoffe und Therapieschemata zu prüfen (personalisierte Medizin).

Die Bauchspeicheldrüse (Pankreas) spielt eine zentrale Rolle für die Regulierung der menschlichen Verdauung sowie des Blutzuckerspiegels. Bis heute existieren keine Therapien für die schwerwiegendsten Pankreaserkrankungen, wie Diabetes oder Pankreatitis. Einer der Hauptgründe für fehlende Therapien ist die Heterogenität der Erkrankungen unter Patienten und der Mangel an spezifischem Zellmaterial für wissenschaftliche Studien sowie Transplantationen. Es werden mikrofluidische Chiptechnologien entwickelt, mit Hilfe derer Bauchspeicheldrüsenzellen aus induzierbaren pluripotenten Stammzellen (iPS) vom Menschen hergestellt werden können. Auf den Chips werden Flüssigkeitsströme in Strukturen von wenigen Mikrometern Größe reguliert, um die chemische Mikroumgebung von iPS zu kontrollieren. So wird es zum Beispiel möglich sein, Hormon- oder Arzneimittelkonzentrationen während der Entwicklungsphase der iPS zu optimieren. Für die effiziente Herstellung von funktionalen Pankreaszellen planen wir, zusätzlich quantitative Zellanalysemethoden auf den Chips zu integrieren und zu automatisieren.

Die Zerstörung des exokrinen Pankreas durch eine hereditäre chronische Pankreatitis (HCP) führt zu Pankreasinsuffizienz und einem dramatisch erhöhten Risiko für Bauchspeicheldrüsenkrebs. Bislang kann für diese Erkrankungen keine ursächliche Behandlung angeboten werden. Ein wichtiges Ziel dieses Vorhabens liegt darin, auf einer funktionen Plattform Zellen mit Genvarianten, die eine Veranlagung zur chronischen Pankreatitis erzeugen, zu etablieren, zu charakterisieren und diese Erkenntnisse in eine personalisierte Therapie umzusetzen. Die geplante Arbeit soll eine optimierte Differenzierungsplattform für die effiziente in vitro-Generierung von azinären/duktalen Pankreasorganoiden hervorbringen. Angewendet auf patientenspezifische induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) werden diese Organoide ein in vitro-Modell für erbliche Erkrankungen des exokrinen Pankreas darstellen. Zunächst geht es darum, eine iPS-Zell-Biobank für alle genetisch determinierten exokrinen Pankreaserkrankungen auf- und auszubauen. Zu Kontrollzwecken sollen außerdem bestimmte Mutationen durch Genomeditierung in humane embryonale Stammzellen eingebracht werden. Außerdem wird eine Feinabstimmung der Zellkulturbedingungen mit Hilfe einer dualen Pankreasvorläufer- und exokrinen Reporterzelllinie, die innerhalb des geförderten Projekts generiert wird, erfolgen, um den  derzeitigen Organoid-Differenzierungsassay zu optimieren. Dies beinhaltet auch das Screening von "small molecule”-Bibliotheken. Ein weiterer Fokus liegt auf der phänotypischen Charakterisierung von HCP-spezifischen Pankreasorganoiden und dem Bestreben, molekulare Mechanismen zu erforschen, um letztlich mutationsspezifische Heilungsstrategien zu entwickeln. Dabei konzentriert man sich auf zwei unerforschte Varianten, die in den Genen CPA1 und SPINK1 auftreten. Schließlich sollen - basierend auf dem Protokoll eines Verbundpartners - die neu gewonnenen Erkenntnisse auf dem PancChip zusammengeführt werden.