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August 2012
Jürgen Wissenwasser
Wireless Impedance-Monitoring of Adherent Cell-Cultures
Diese Arbeit behandelt elektrische Impedanzmessung an adhärenten biologischen Zellkulturen. Der variable Bedeckungsgrad (Konfluenz) von Elektrodenflächen durch adhärente Zellen geht mit einer Änderung der elektrischen Impedanz gegenüber der Nährlösung einher. Die Konfluenz vergrößert sich beispielsweise aufgrund von Zellwachstum oder verringert sich durch Seneszenz oder äußere toxische Einflüsse. Eine weitere Quelle für Impedanzänderung ist die Veränderung der Zellen selbst, wie hier bei der induzierten Differenzierung von Stammzellen beobachtet werden konnte.
Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Sensoren basieren auf Glaschips mit definierten metallischen Elektrodenstrukturen, die in direktem Kontakt mit dem Nährmedium bzw. den Zellen stehen. Ein darauf aufbauendes modulares Sensorsystem erlaubt die Reinigung und Wiederverwendung der eingesetzten Chips. Um Anwendern in der Zellkulturtechnik möglichst große Flexibilität zu geben, war der Einsatz einer drahtlosen Messtechnik gefordert. Hierbei wurde großer Wert auf die Kompatibilität zu bestehenden Zellkulturwerkzeugen und materialien gelegt, sodass konventionelle 6-well Microtiter-Platten als Basis und Kontaminationsschutz gewählt wurden.
Der drahtlose Ansatz zur Messtechnik kommt ohne Akkus bzw. Batterien aus und basiert auf einem patentierten Ablauf. Hierbei wird aus dem für die drahtlose Kommunikation erforderlichen Hochfrequenz-Feld, in Anlehnung an die Radio Frequency Identification (RFID) Technologie, Energie gewonnen.
Die Sensoren selbst arbeiten im Frequenzbereich von 5 bis 50 kHz, wobei die meisten hier präsentierten Untersuchungen bei 10 kHz durchgeführt wurden. Die Elektronik der Sensorschnittstelle wurde besonders energieeffizient dimensioniert.
Messungen an 3T3 Mausembryo-Fibroblasten, wie auch an menschlichen mesenchymalen Stammzellen, wurden in Kurzzeit- (bis zu 3 Tage) und Langzeit versuchen (bis zu 4 Wochen) ausgeführt. Bei den Fibroblasten konnte das Messsystem zur Bewertung des Wachstumsverhaltens und der Terminierung durch hochtoxische Substanzen eingesetzt werden. Dabei wurde auch ein besonders starker Einfluss der Inkubatoratmosphäre auf die Messergebnisse erkannt, insbesondere durch den Verlust von Nährmedium durch Verdunstung.
Die mesenchymalen Stammzellen wurden einer osteogenen und adipogenen Differenzierung unterworfen. Die dabei gewonnenen Daten zeigen, dass charakteristische Impedanzänderungen bereits binnen 24 Stunden nach der induzierten Differenzierung erkennbar sind, wogegen konventionelle Färbemethoden erst nach 5 bis 7 Tagen zuverlässige Ergebnisse liefern.
Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Sensoren basieren auf Glaschips mit definierten metallischen Elektrodenstrukturen, die in direktem Kontakt mit dem Nährmedium bzw. den Zellen stehen. Ein darauf aufbauendes modulares Sensorsystem erlaubt die Reinigung und Wiederverwendung der eingesetzten Chips. Um Anwendern in der Zellkulturtechnik möglichst große Flexibilität zu geben, war der Einsatz einer drahtlosen Messtechnik gefordert. Hierbei wurde großer Wert auf die Kompatibilität zu bestehenden Zellkulturwerkzeugen und materialien gelegt, sodass konventionelle 6-well Microtiter-Platten als Basis und Kontaminationsschutz gewählt wurden.
Der drahtlose Ansatz zur Messtechnik kommt ohne Akkus bzw. Batterien aus und basiert auf einem patentierten Ablauf. Hierbei wird aus dem für die drahtlose Kommunikation erforderlichen Hochfrequenz-Feld, in Anlehnung an die Radio Frequency Identification (RFID) Technologie, Energie gewonnen.
Die Sensoren selbst arbeiten im Frequenzbereich von 5 bis 50 kHz, wobei die meisten hier präsentierten Untersuchungen bei 10 kHz durchgeführt wurden. Die Elektronik der Sensorschnittstelle wurde besonders energieeffizient dimensioniert.
Messungen an 3T3 Mausembryo-Fibroblasten, wie auch an menschlichen mesenchymalen Stammzellen, wurden in Kurzzeit- (bis zu 3 Tage) und Langzeit versuchen (bis zu 4 Wochen) ausgeführt. Bei den Fibroblasten konnte das Messsystem zur Bewertung des Wachstumsverhaltens und der Terminierung durch hochtoxische Substanzen eingesetzt werden. Dabei wurde auch ein besonders starker Einfluss der Inkubatoratmosphäre auf die Messergebnisse erkannt, insbesondere durch den Verlust von Nährmedium durch Verdunstung.
Die mesenchymalen Stammzellen wurden einer osteogenen und adipogenen Differenzierung unterworfen. Die dabei gewonnenen Daten zeigen, dass charakteristische Impedanzänderungen bereits binnen 24 Stunden nach der induzierten Differenzierung erkennbar sind, wogegen konventionelle Färbemethoden erst nach 5 bis 7 Tagen zuverlässige Ergebnisse liefern.
Schlagwörter: Impedance monitoring; cell cultures; toxicology; wireless; sensor
Schriftenreihe des Instituts für Sensor- und Aktuatorsysteme Technische Universität Wien
Herausgegeben von Univ.-Prof. Dr. Michiel J. Vellekoop, Wien
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