Establishment of a microfluidic cell migration device to investigate the T-cell exhaustion

Abstract

Die Migration von T-Zellen ist entscheidend für die Immunabwehr und die Gewebehomöostase. Eine anhaltende Antigenexposition unter chronischen Bedingungen kann jedoch zu einer Erschöpfung der Immunzellen und einer verminderten Zellfunktion führen. Um zu untersuchen, wie das Migrationsverhalten mit der T-Zell-Erschöpfung zusammenhängt oder zu ihr beiträgt, sind Modelle erforderlich, die die physiologische Mikroumgebungen von Immunzellen nachbilden können, was mit herkömmlichen in-vitro- und Tiermodellen derzeit nicht erreicht werden kann. In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer mikrofluidischen Plattform vorgestellt, die speziell dafür konzipiert wurde, die Migration von T-Zellen unter kontrollierten chemischen Gradientenbedingungen zu untersuchen, um Mechanismen der Immunerschöpfung zu erforschen. Das System wurde in einem iterativen Designprozess entwickelt und enthält Hydrogelbarrieren sowie optimierte Bindungstechniken, die eine stabile Gradientenbildung gewährleisten. Charakterisierungsexperimente bestätigten eine effiziente Gradientenbildung, validierten das Diffusionsverhalten und bestätigten eine zellverträgliche Oberflächenbeschaffenheit. In Chip-basierten Versuchen mit Jurkat-Zellen konnte eine erfolgreiche Zellbeladung sowie eine gerichtete Migration unter statischen und dynamischen Bedingungen nachgewiesen werden. Durch die kontrollierte Erzeugung chemischer Gradienten unterstützt diese Plattform mechanistische Untersuchungen zur Immunerschöpfung und zu den Auswirkungen von Änderungen in der Mikroumgebung auf das Verhalten von T-Zellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden den Grundstein für eine Plattform die künftig in der Testung immunmodulierender Therapien und in der Krankheitsmodellierung eingesetzt werden kann.

T cell migration is fundamental to immune surveillance and tissue homeostasis, but persistent antigen exposure in chronic conditions can lead to T cell exhaustion and diminished cellular function. Investigating how migration behavior reflects or contributes to exhaustion requires models capable of mimicking physiological microenvironments of immune cells, a limitation commonly observed in traditional in vitro and animal models. This thesis presents the development of a microfluidic platform specifically designed to study T cell migration to explore mechanisms of immune cell exhaustion under controlled chemical gradient conditions. The device was fabricated through an iterative design process incorporating hydrogel barriers and optimized bonding techniques to ensure stable gradient formation. Characterization experiments confirmed efficient gradient generation, validated diffusion behavior, and demonstrated surface compatibility for maintaining cell viability. On-chip assays with Jurkat cells showed successful cell loading and directed migration under both static and dynamic conditions. By enabling controlled chemical gradients, this platform supports mechanistic investigations into immune exhaustion and the influence of microenvironmental changes on T cell behavior. The results of this work built the foundation for a platform that can be used in applications ranging from immunotherapy testing to disease modeling.