Metabolic monitoring in dynamic 3D cell culture systems

Abstract: Three-dimensional (3D) cell cultures have emerged as important in vitro models, e.g. in cancer research or individualized drug treatment, as they replicate a physiologically more realistic environment than traditional 2D cultures. Spheroids, organoids, or microtissues can recapitulate the functions of specific tissues even better when they are embedded into organ-on-chip (OoC) systems, and especially when grown from patient-derived stem cells. The pericellular microenvironment with respect to metabolite concentrations, particularly hypoxia, is essential in cancer research but often remains unexplored. This thesis encompasses the design, fabrication, characterization and application of a sensor-integrated OoC system for the real-time measurement of oxygen, glucose and lactate inside matrix-based 3D cancer cultures. In addition, a platform with an integrated microelectrode well array for accessing the oxygen concentration in the vicinity of single spheroids is presented.

Fabrication of the OoC system's glass chip, including microfluidics, was done on wafer-level using thin-film technologies, leading to advanced microstructures, which reliably guided cell culture integration and maintenance under dynamic flow conditions. Characterization of platinum-based microsensors demonstrated their suitability for precise metabolite measurements at micromolar concentration ranges inside a highly complex biological environment and for a particularly long period of over one week. The diffusion-dominated mass transport situation in the system was investigated in detail using a simulation model, and was confirmed by electrochemical in situ measurements.

Viable spheroid cultures were successfully grown on-chip from breast cancer single stem cells. Culture conditions, including hypoxia, could be controlled by fluidic operation modes and simultaneously verified by integrated sensors. Metabolite consumption and production rates were successfully derived during the formation of a heterogeneous 3D culture, along with their changes upon exposure to different drug compounds and concentrations.

In addition to detailed cellular investigations with the OoC system, higher throughput respiration measurements were performed on single breast cancer spheroids in nanoliter-volume microwells with integrated oxygen sensors, which were fabricated with similar fabrication techniques. Meaningful and reproducible cellular responses could be measured within hours in the drug screening application.

In this thesis, ranging from conception and development to characterization and application on clinically relevant cell models, it was demonstrated how microsensors inside 3D cell culture systems can provide unique information about the conditions and state of a cell culture in real-time. This research contributes to fundamental cancer research, the standardization of cell-related experiments and personalized medicine
Abstract: In der Krebsforschung oder bei der individualisierten Therapie mit Medikamenten haben sich dreidimensionale (3D) Zellkultursysteme zu unverzichtbaren in vitro-Modellen entwickelt, da sie eine physiologisch realistischere Umgebung bieten als traditionelle 2D-Kulturen. Sphäroide, Organoide oder Mikrogewebe können die Funktionen spezifischer Gewebetypen noch besser berücksichtigen, wenn sie in Organ-on-Chip (OoC) Systeme eingebettet werden und besonders, wenn sie zudem aus patientInnen-eigenen Stammzellen gewachsen sind. Die perizelluläre Mikroumgebung im Hinblick auf die Konzentrationen von Metaboliten, insbesondere die Hypoxie, ist für die Krebsforschung von wesentlicher Bedeutung, bleibt jedoch oft unerforscht. Diese Arbeit umfasst das Design, die Herstellung, die Charakterisierung und die Anwendung eines sensorintegrierten OoC Systems zur Echtzeitmessung von Sauerstoff, Glucose und Lactat in matrixbasierten 3D-Krebskulturen. Darüber hinaus wird eine Plattform mit einem integrierten Array bestehend aus Vertiefungen mit eingebetteten Mikroelektroden für den Zugang zur Sauerstoffmikroumgebung von Einzelsphäroiden vorgestellt.

Die Herstellung des Glaschips des OoC Systems, einschließlich der Mikrofluidik, erfolgte auf Waferebene unter Verwendung von Dünnschichttechnologien, welche zu ausgefeilten Mikrostrukturen führten, die eine zuverlässige Integration und Aufrechterhaltung der Zellkultur unter dynamischen Flussbedingungen ermöglichten. Die Charakterisierung der platinbasierten Mikrosensoren zeigte deren Eignung für präzise Metabolitenmessungen im mikromolaren Konzentrationsbereich innerhalb einer komplexen biologischen Umgebung und über einen besonders langen Zeitraum von über einer Woche. Der diffusionsdominierte Massentransport im System wurde mit Hilfe eines Simulationsmodells detailliert untersucht und durch elektrochemische in-situ-Messungen bestätigt.

Lebensfähige Sphäroidkulturen konnten erfolgreich aus einzelnen Brustkrebsstammzellen innerhalb des Chips kultiviert werden. Die Kulturbedingungen, einschließlich Hypoxie, konnten über fluidische Betriebsmodi kontrolliert und gleichzeitig durch die integrierten Sensoren verifiziert werden. Verbrauchs- und Produktionsraten von Metaboliten wurden während der Bildung einer heterogenen 3D-Kultur erfolgreich abgeleitet, ebenso wie deren Veränderungen bei Exposition gegenüber verschiedenen Wirkstoffkomponenten und -konzentrationen. Zusätzlich zu den Untersuchungen mit dem OoC System wurden auch Respirationsmessungen mit höherem Durchsatz an einzelnen Brustkrebssphäroiden in Mikrovertiefungen mit integrierten Sauerstoffsensoren durchgeführt. Relevante und reproduzierbare zelluläre Reaktionen konnten innerhalb weniger Stunden in der Wirkstoffscreening-Anwendung gemessen werden.

In dieser Arbeit wurde von der Konzeption und Entwicklung bis zur Charakterisierung und Anwendung an klinisch relevanten Zellmodellen gezeigt, wie Mikrosensoren in 3D-Zellkultursytemen einzigartige Echtzeitinformationen über die Kulturbedingungen und den Kulturzustand liefern können. Diese Forschung liefert einen Beitrag zur Standardisierung von Zellkulturexperimenten, Krebsgrundlagenforschung und personalisierten Medizin

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2024

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Zellkultur ; Elektrochemie ; Geräteentwicklung ; Biosensor ; Mikrosensor ; Elektrochemische Sauerstoffmessung ; Elektrochemisches System ; Biosensor ; Brustkrebs

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2024
• Urheber: Dornhof, Johannes
• Beteiligte Personen und Organisationen: Urban, Gerald A. ; Urban, Gerald A. ; Rapp, Bastian E. ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Institut für Mikrosystemtechnik ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/245815
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2458159
• Rechteinformation: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:51 MEZ