Microfluidic impedance biosensors for monitoring cancer cell behaviors

Hochschulschrift

Zusammenfassung: The current techniques integrating the method of Electrical Cell-substrate Impedance Sensing (ECIS) with the Boyden chamber design are able to provide kinetic information about the cell migration and invasion process in three-dimensional (3D) extracellular matrices. However, the information related to the initial stage of cell migration with single cell resolution, which plays a unique role in the metastasis-invasion cascade of cancer, is not yet available. Therefore, a desirable device that allows the detection of the single cell migration in the 3D matrices would lead to new insight into the metastasis mechanism and serve as a potential tool for cancer research. Combination of state-of-the-art methods of microsystem engineering and ECIS techniques are used for unique solutions and their proof. In the first step, a new design and functions of Micro Electrode Arrays (MEAs) are tested by combining with a small sample container well to produce an ECIS chip. Preliminary tests with this sensor comprise the study of the attachment and spreading of multiple breast cancer MCF-7 cells and their response to Cisplatin. The cell spreading causes a significant increase of the impedance magnitude in the frequency range from 10 kHz to 100 kHz and the stable impedance phase in the frequency range between 40 kHz and 1 MHz. It corresponds to a sharp increase of membrane resistance of 57% and slight decrease of cell membrane capacitance of 2% (model parameters) according to the simulation results. Intermediate results indicate that the preparatory level ECIS biosensor itself is a successful tool for biological cell research. In the second step, fabrication procedures of the Microfuidic Impedance Single Cell (MISC) chip were completed based on the first step proofs. The new MISC biosensor integrates the MEAs with microfluidic channels, special V-shaped cell capturing structures and uses a passive pumping method. Using microfluidics without the requirement of physical connections to off-chip pneumatics, the proposed biosensor is capable of capturing single cells on top of MEAs with an efficiency of 70% to 100% for subsequent experiments. Single cell trapping process is successfully recorded in real time, which induces an impedance increase of 50 kΩ. Especially, an on-chip single cell migration assay in a 3D cell culture environment is successfully demonstrated. The single cell migration behaviour allows distinction of two different cancer cell lines in real time. It shows a rapid change in the impedance magnitude of the metastatic MDA-MB-231 cell line with approximately 10 Ω/s, whereas no prominent impedance change is observed for the less-metastasis MCF-7 cell line. The effectiveness of these two biosensor types for monitoring the activity of cancer cells, their response to anti-cancer drug treatment as well as their migratory properties at the single-cells level is demonstrated. The MISC is a novel tool for further applications in cellular biology, single cell assay, and cancer research
Zusammenfassung: Aktuelle Technologien, die zellbasierte Impedanzsensoren (ECIS) mit Boydenkammer-Strukturen integrieren, liefern kinetische Informationen über die Abläufe von Zellmigration und Zellinvasion in dreidimensionalen (3D) extrazellulären Matritzen. Trotzdem sind jene Prozesse, die das Anfangsstadium der Zellmigration mit Einzelzellauflösung darstellen können und damit bei der metastatischen Invasionskaskade eine Schlüsselrolle spielen, zur Zeit noch nicht erfaßbar. Daher ist es erstrebenswert ein wirksames Forschungsinstrument zu entwickeln, das die Einzelzellmigration in 3D-Matritzen erlaubt und dadurch neue Einblicke in diesen Mechanismus ermöglicht. Eine Kombination der aktuellen Methoden der Mikrosystemtechnik und ECIS Techniken bietet dabei einzigartige Lösungen an, deren Nachweis intendiert wird.Im Rahmen dieser Arbeit wird in einem ersten Anfangsschritt der Entwurf und die Funktionen eines Mikroelektrodenarrays (MEA) getestet, das in Kombination mit einem kleinen Probenbehälter zu einem ECIS-Biosensor gefertigt wird. Vorbereitende Tests mit diesem Sensor umfassen Untersuchungen von Anhaftung und Ausbreitung mehrerer Brustkrebszellen MCF-7 sowie ihr Ansprechen auf Cisplatin. In einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 100 kHz bewirkt die Zellausbreitung einen deutlichen Anstieg des Impedanzbetrages und einen konstanten Phasenwinkel im Frequenzbereich von 40 kHz bis 1 MHz. Entsprechend der Simulationsresultate, bedeutet das ein steiles Ansteigen des Membranwiderstandes um 57% und einen leichten Abfall der Membrankapazität um 2% (Simulationsparameter). Die Zwischenergebnisse zeigen, daß der als Vorbereitungsstufe vorgesehene ECIS-Biosensor sich selbst als ein erfolgreiches Instrument für die Zellforschung herausstellt.In einer zweiten Etappe wird der Herstellungsprozess für den MISC-Chip, auf den Daten des ersten Schritts aufbauend, fertiggestellt. Der neue mikrofluidische Sensor besteht aus MEAs, mikrofluidischen Kanäle, v-förmigen Zellfallen und nutzt eine passive Pumpmethode. Mit diesem Chip lassen sich einzelne Zellen auf MEAs mit einer Effizienz von 70% bis 100% einfangen und zu weiteren Experimentalschritten vorbereiten, wobei keine externe Mikropumpe benötigt wird. Das Einfangen einer einzelnen Zelle wird erfolgreich in Echtzeit aufgezeichnet, was zu einem Impedanzanstieg von 50 kΩ führt. Im Speziellen wurde ein on-chip Einzelzellmigrations-Assay in einer dreidimensionalen Zellkulturumgebung erfolgreich getestet. Die Einzelzellmigration ermöglicht die Unterscheidung von zwei verschiedenen Krebszelllinien in Echtzeit. Es zeigt sich eine rapide Änderung in der Impedanz der metastatischen MDA-MB-231-Zelllinie mit ungefähr 10 Ω/s, wohingegen keine auffällige Impedanzänderung für die schwächer metastasierende MCF-7-Zelllinie beobachtet werden kann.Effektives Monitoring von Krebszellen, effektive Verfolgung von Reaktionen auf medikamentöse Krebsbehandlung, sowie die Eigenschaft, Zellwanderung auf Einzelzellebene zu erfassen wird mit zwei Typen von zellbasierten Biosensoren demonstriert, die in dieser Arbeit entwickelt werden. Der mikrofluidische Impedanzsensor ist ein neuartiges Hilfsmittel für die Zellbiologie, Einzelzellanalyse und Krebsforschung

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Dissertation, 2015

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Biosensor ; Mikrofluidik ; Krebs ; Onkologie

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2015
• Urheber: Nguyen, Tien Anh
• Beteiligte Personen und Organisationen: Urban, Gerald A.

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/10250
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-102503
• Rechteinformation: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:54 MEZ