Untersuchungen von Zellmonoschichten mittels Elektrochemischer Rastermikroskopie

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	26 July 2013
Referee:	Prof. Dr. Frank-Michael Matysik
Date of exam:	25 July 2013
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Instrumentelle Analytik (Prof. Frank-Michael Matysik)
Keywords:	Elektrochemische Rastermikroskopie, Ultramikroelektrode, Zellen
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	28606

Abstract (German)

Die elektrochemische Rastermikroskopie (SECM) dient der Untersuchung der Topographie und lokalen Elektroaktivität mikrostrukturierter Proben. Seit ihrer Einführung in den 1980er Jahren hat die Technik enorme Akzeptanz im Bereich der Korrosionsforschung und Bioanalytik erfahren. In der SECM rastert eine Ultramikroelektrode (UME) die zu untersuchende Probe in geringem Abstand ab. Die aktiven ...

Abstract (German)

Die elektrochemische Rastermikroskopie (SECM) dient der Untersuchung der Topographie und lokalen Elektroaktivität mikrostrukturierter Proben. Seit ihrer Einführung in den 1980er Jahren hat die Technik enorme Akzeptanz im Bereich der Korrosionsforschung und Bioanalytik erfahren.
In der SECM rastert eine Ultramikroelektrode (UME) die zu untersuchende Probe in geringem Abstand ab. Die aktiven Durchmesser der UME liegen dabei im Bereich weniger 100 nm. Die UMEs können dabei in Abhängig vom Aufbau der Elektroden amperometrisch, potentiometrisch oder impedimetrisch betrieben werden. Häufig werden in Natron-Kalk-Glas eingeschmolzene feine Platindrähte als UMEs verwendet. Die Einbettung jener UMEs kann durch eine nachgeschobene thermische Behandlung signifikant verbessert werden.
Durch die Biokompatibilität der SECM und die intrinsisch-rasterförmige Bewegung der UME sind lebende Zellmonoschichten als Verbände von Zellen ideale Studienobjekte. Neben der hochauflösenden topographischen Abbildung von Zellmonoschichten kann die UME auch als Werkzeug zum gezielten Abtöten einzelner Zellen innerhalb eines Zellverbundes – ohne erkennbare Wirkung auf die Nachbarzellen – verwendet werden.
Auch die in der Pharmakologie weit verbreiteten Transportstudien durch Zellmonoschichten liefern mittels SECM reproduzierbare und richtige Ergebnisse auf integraler Ebene. Zudem kann mittels SECM erstmalig die Diffusion von Modellsubstanzen auf zellulärer Ebene beobachtet und unterschieden werden.

Translation of the abstract (English)

Scanning electrochemical microscopy (SECM) has been demonstrated to be a powerful tool to investigate morphological and chemical characteristics of substrates. In SECM an ultramicroelectrode (UME) is scanned laterally in close proximity to a substrate. UMEs with effective electrode radii down to 100 nm can be fabricated by sealing a metal wire in soft glass. A subsequent thermal treatment can be ...

Translation of the abstract (English)

Scanning electrochemical microscopy (SECM) has been demonstrated to be a powerful tool to investigate morphological and chemical characteristics of substrates. In SECM an ultramicroelectrode (UME) is scanned laterally in close proximity to a substrate. UMEs with effective electrode radii down to 100 nm can be fabricated by sealing a metal wire in soft glass. A subsequent thermal treatment can be used to improve the quality of electrode sealing.
Cell monolayers are very suitable substrates for SECM investigations based on the constant-height mode, where the UME is moved in a fixed plane. Epithelial cell monolayers from rat kidney were imaged with sub-micrometer resolution. Besides the recording of SECM images the UME was used to selectively attack a single living cell within the monolayer ensemble. Hydroxide ions were generated via the cathodic half cell reaction of water decomposition in the vicinity of a single target cell using the UME. The increase in pH induced cell necrosis.
Additionally, passive transport of redox mediators trough cell monolayers was investigated on a cellular level using SECM. The main transport pathways, i.e. trans- and paracellular transport, could be differentiated depending on the mediator’s chemical properties.

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