All posts by : Karin Janz

Organs-on-Chip sind fortschrittliche in-vitro Modelle, die die physikalischen und biochemischen Merkmale der zellulären Mikroumgebung nachbilden. Sie bestehen aus mikrofabrizierten Strukturen, die der Grössenordnung von Zellaggregaten ähneln, um die Gewebephysiologie auf kontrollierte Weise zu untersuchen. Dynamische Einflüsse wie Strömung, chemische Gradienten und einwirkende Kräfte können genauestens angepasst werden, um eine organspezifische Umgebung zu schaffen, die den jeweiligen Zellphänotyp aufrechterhält oder zur Zelldifferenzierung anregt. Dies ermöglicht eine funktionelle Gewebesimulation komplexer biologischer Prozesse.

Das ARTORG Organs-on-Chip Technologies Labor ist eine vor 13 Jahren gegründete Forschungsgruppe. Das Labor kombiniert Ingenieurwissenschaften, Mikrofluidik und Zellbiologie und verfügt über modernste Ausrüstung für Chipdesign, verschiedenste Analysen und mikroskopische Bildgebung. Die Organs-on-Chip Facility (OOCF) wurde geschaffen, um Forschende bei der Entwicklung, Herstellung und Prüfung von Chips zu unterstützen, und umfasst ein Mikrofabrikationslabor und ein Zellkulturlabor mit einem speziell ausgebildetem Team. Die OOCF erfreut sich zunehmender Beliebtheit, mit mehr als 40 Nutzenden pro Jahr.

Die bei der UniBern Forschungsstiftung eingeworbenen Mittel wurden für die Anschaffung eines Sauerstoffplasmareaktors sowie einer Laminar-Flow-Werkbank zur Unterbringung des Reaktors verwendet. Der Sauerstoffplasmareaktor ist eines der am häufigsten verwendeten Instrumente im OOCF für die Entwicklung und Produktion von Organs-on-Chips. Das neue System ermöglicht es, höhere Plasmaintensitäten zu erreichen und das Plasma genauer zu steuern.

Als Beispiel für Organ-on-Chips zeigen die beigefügten Bilder ein mikrovaskuläres System aus menschlichen Fibroblasten und Gefässzellen, die sich dank des mikrofluidischen Chips selbst organisieren können. Dieser Mikrovaskulatur-on-Chip wurde mit Hilfe des Sauerstoffplasmareaktors hergestellt. Ein auf diese Weise hergestelltes mikrovaskuläres System erfüllt die spezifischen Gewebefunktionen genauso wie im menschlichen Körper. Auf diese Weise können für die Medizin relevante Untersuchungen einfacher und sicherer durchgeführt werden.

Prof. Dr. Olivier Guenat

Head Organs-On-Chip Technologies

ARTORG Center for Biomedical Engineering Research

Our research group aims to understand climate change (mainly warming and drought) effects on terrestrial biodiversity using microorganisms, invertebrates, and plants from grasslands. Our study approach involves experiments carried out both in the laboratory and in the field. One of our major research frameworks is to incorporate how various life forms (microorganisms, invertebrates, and plants) respond during and after climate extremes (e.g., heat waves). To do so, we measure population dynamics, life history and functional traits of our study organisms.

With the help of the UniBern Forschungsstiftung, we were able to acquire a state-of-the-art widefield microscope (Nikon Ti2 Eclipse) equipped with an automated stage, fluorescence camera, and artificial intelligence (AI) capabilities. Nikon Ti2 Eclipse has become our go-to microscope for high-resolution images to investigate microbial and plant traits in our experiments. Moreover, using AI techniques, we are able to acquire high-throughput data on the fungal colonization (e.g., arbuscular mycorrhizal fungi) of plant roots. Finally, we are using this microscope to understand fungal-bacterial interactions using high-resolution fluorescence images. All these workflows strengthen our research to understand how microscopic organisms respond to climate change.

Prof. Dr. Madhav P. Thakur

Institute of Ecology and Evolution
Division Terrestrial Ecology

terr.iee.unibe.ch

Images by Nicolo Tartini (a), Jingjing Shi (b) and Jan Philip Tscheulin (c)

Diabetes Mellitus –the inability to regulate blood glucose (BG) levels– is one of fastest growing diseases in the world. In the last two decades the number of people with diabetes has increased by 255% to about 537 million (in 2021), and in expected to increase to 643 million by 2030 according to International Diabetes Federation (IDF). Diabetes is associated with significant health-related, social, and economic consequences. Cardiovascular disease, kidney failure3, retinopathy, and neuropathy are among the high-risk long-term consequences of diabetes. In addition, short-term complications such as hypoglycemia (low blood sugar <70 mg/dl) on the one hand, and hyperglycemia (high blood sugar >180 mg/dl postprandial) can significantly diminish the quality of life. Furthermore, direct and indirect costs to treat diabetes amounts to some significant values.

In our group, at the University Hospital Bern, we are working on an optical sensor to continuously measure blood glucose levels in real-time. To do so we built a table-top setup employing polarimetric methods which can measure the concentration of glucose molecules in a solution. To further test our setup in a real-world scenario we wanted to build a flow simulator with which we can study the effect of the flow, temperature, and the pulsation of the solution under study.

With the generous support of the Berne University Research Foundation, we could build the setup (Fig. 1) as part of a Bachelor thesis in collaboration with Prof. Dr. Lukas Moser at Bern University of Applied Sciences. Using the provided fund, we purchased peristaltic and syringe pumps, optical and optomechanical components, heating elements, etc. With the resulting setup, we are able to control the flow and pulsation of the solution, regulate its temperature, and the concentration of glucose and other analytes and metabolites of interest. The setup is built to be compatible with using real blood as the final stage of our sensor testing.

In conclusion, this setup will play an important role in testing our sensor in the most realistic scenario before going in-vivo.

Dr. Ehsan Hassanpour Yesaghi

Department of Diabetes, Endocrinology, Nutritional Medicine and Metabolism (UDEM), Inselspital

www.samlab.org

Die Ausführung kreativer Aktionen gilt als entscheidendes Element im Fussball. Jüngste Studien legen nahe, dass die Kreativität der Spieler durch eine spezifische visuelle Suchstrategie – viele Fixationen von kurzer Dauer – unterstützt wird, und schlagen vor, dass dieses Blickmuster trainiert werden könnte (Roca et al., 2018, 2021).

Die Ergebnisse des durch die UniBern Forschungsstiftung geförderten Projekts stellen die Idee eines einzigen kreativitätsbezogenen Blickmusters in Frage. Sie zeigen vielmehr, dass das optimale Blickverhalten in hohem Maße von den situativen Anforderungen der Aufgabe (Experiment 1: verbale Antwort vs. natürliche Handlung) und den visuellen Anforderungen (Experiment 2: Variation der Position der Mit- und Gegenspieler) abhängt. Die Ergebnisse zeigen, dass es kein eindeutiges Blickmuster gibt, welches kreative von weniger kreativen Fussballspielern unterscheidet. Stattdessen lassen sich die Blickbewegungen aller Spieler in eine analytische Phase (Zeitfenster ohne erforderliche Ballinteraktion) und eine Aktionsphase (Zeitfenster kurz vor und nach einer Ballinteraktion) unterscheiden. In der ersten Phase suchen die Spieler nach Passmöglichkeiten, was durch eine Reihe von Fixationen auf einen großen Teil ihres gesamten Gesichtsfeldes angezeigt wird. In der zweiten Phase fokussieren die Spieler auf die funktionalste Handlungslösung mit Fixationen.

Durch die Unterstützung der UniBern Forschungsstiftung konnten wir eine geeignete Beamerlösung für das Labor einrichten (Bild 1). Mit Hilfe der Beamer wurde das Messsetup mit Bewegungserfassung und Eye-Tracking komplettiert (Bild 2).

Dr. Christian Vater und Stephan Zahno

Institut für Sportwissenschaft

www.ispw.unibe.ch.ch

Our kidney research group led by Prof. Uyen Huynh-Do at the University Hospital Bern is studying, among other things, how adverse events during fetal development increases the risk to develop renal diseases in adulthood. Many findings that we obtain with this research approach can be applied to unravel the mechanisms leading to the development and progression of chronic kidney disease (CKD) in general.

CKD is a major health concern, affecting 10 percent of the population worldwide. Here, the effects of low oxygen or hypoxia play a significant role in its development and progression. If the oxygen supply is chronically limited during development in the womb (e.g. at altitudes of more than 2500 meters), this very often leads to growth retardation of the fetus, and especially of the kidneys. It is therefore assumed that these smaller kidneys have to distribute their tasks to fewer filtration units (nephrons) throughout life, which gradually leads to overloading of the nephrons and their failure in adulthood. This creates a vicious circle at the end of which there is an accelerated loss of kidney function. However, the mechanisms that program the development of CKD are still largely undefined. 

With the generous support of the Bern University Research Foundation, we were able to purchase a BT37 Mark II bench top incubator. The BT37 Mark II provides a valuable tool to study the effects of hypoxia in kidney disease, as it allows us to mimic the conditions of low oxygen levels at high altitudes on cells and tissues. Because of its small size (comparable to a microwave oven) and low gas consumption (30 ml/min) it can be used flexibly to address many different research questions. 

We routinely use the BT37 Mark II in our lab to expose primary renal cells to 1% oxygen to induce cellular stress, and study the effect of various substance for their ability to attenuate the effect of the hypoxic condition. With the help of these important in vitro experiments we are able to identify potential disease-promoting signaling cascades and how they can be manipulated. These experiments provide invaluable insights into the pathology of CKD, and help us to define better experimental animals models, before we validate our findings in vivo.

In conclusion, the BT37 Mark II has become an essential tool in our lab to study the effects of hypoxia in kidney disease and provides valuable insights into the behavior and responses of kidney cells and tissues under low-oxygen conditions.

Dr. rer. nat. Stefan Rudloff
Prof. Dr. med. Uyen Huynh-Do

Klinik für Nephrologie und Hypertonie, Inselspital

www.nephrologie.insel.ch