| License: Creative Commons Attribution 4.0 (52MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-477951
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.47795
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 1 August 2022 |
| Referee: | Prof. Dr. Joachim Wegener |
| Date of exam: | 30 July 2021 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Bioanalytik und Biosensorik (Prof. Joachim Wegener) |
| Keywords: | Impedance, adherent cells, interdigitated electrodes |
| 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: | 47795 |
Abstract (English)
The aim of this thesis was to characterize interdigitated electrodes (IDEs) with subcellular dimensions. The focus was to find out their advantages when used as electrodes in impedance-based cellular assays in comparison to commercially available electrodes. The following IDEs were used: IDE 20 (width and gap 10 μm), IDE 12 (width and gap 6 μm), IDE 10 (width and gap 5 μm) and IDE 7 (width 4 μm, ...
Abstract (English)
The aim of this thesis was to characterize interdigitated electrodes (IDEs) with subcellular dimensions. The focus was to find out their advantages when used as electrodes in impedance-based cellular assays in comparison to commercially available electrodes. The following IDEs were used: IDE 20 (width and gap 10 μm), IDE 12 (width and gap 6 μm), IDE 10 (width and gap 5 μm) and IDE 7 (width 4 μm, gap 3 μm). For a basic characterization the impedance, resistance and capacitance changes of cell-free electrodes were analyzed as a function of the frequency. With a finite element technique it was illustrated that the distribution of the electric field into the electrolyte is strongly dependent on the distance between the electrodes. In the case of the IDEs with a small pitch it was calculated that over 87% of the electric field was in a small volume above the electrodes within a distance of the size of the electrode gap. Further simulations proved, that also the cell height and the cell-substrate distance had significant influences on the distribution of the electric field. When the cell-substrate distance was comparatively high (500 nm), the electric field distributed without restriction, resulting nearly in the data of cell-free electrodes. Additionally, it was simulated that with larger cells, the main electric field was seen underneath the cells. On the basis of these simulations it was possible to explain the cell specific frequency-dependent impedance, resistance and capacitance data and the cell micromotions, measured with the different electrode types. In the measurement of the adhesion of MDCKI, MDCKII and NRK cells as well as in the proliferation measurement, the IDEs were able to detect the initial attachment of the cells more quickly and sensitively than the 8W10E electrodes. Further, it was possible to reveal different time-dependent impedance and capacitance courses during adhesion measured with the various electrode types. Most noteworthy was the sudden rise in impedance at 40 h in the measurement of MDCKI cells with the IDEs. With the staining of the ZO-1 proteins it was indicated that this increase was dependent on the formation of the tight junctions. Due to the small fraction of the electric field in the intercellular cleft in the case of the IDEs, those electrodes were not able to monitor the complete formation of the tight junctions over time like the 8W10E electrodes. Only when a defined strength of the tight junctions was reached the impedance of the IDEs was influenced strongly. As the cells were subjected to an osmotic pressure, the cells shrank and reduced their cell height revealing a changed distribution of the electric field in the case of the IDEs. With the shrunk cells the main part of the electric field was shifted to the intercellular cleft resulting in a higher impedance signal for the MDCKII cells. In the measurement of the H1 receptor stimulation, the impedance changes measured with the IDEs deviated more and more from those of the 8W10E electrodes and IDE 300, the smaller the pitch became. This proved that with different electrode distances various parts of the cell body and cell reactions can be detected. Another assay was the analysis of cardiomyocytes. The regular contracting and relaxing was well measurable with the 8W1E electrodes, whereas only a low and noisy impedance
change was detected with the IDEs. When analyzing the cytotoxicity of bisphenol A, the IDEs turned out to analyze the impact of BPA on the cells earlier than the ECIS electrodes. At lower concentrations (100 μM BPA) it was already possible to observe changes in the impedance of the confluent cell layer, whereas with the ECIS electrodes only a change ≥150 μM BPA could be obtained. Another advantage of the IDEs was found in the electroporation measurements. Using a proper voltage magnitude an introduction of the fluorescent FITC-dextran into the cells was enabled. With the IDEs it was possible to electroporate more cells due to the larger non-insulated electrode area compared to the 8W1E electrodes. Another advantage of the larger non-insulated electrode area of the IDEs was the detectable outgrowth of spheroids. With the ECIS electrodes only the sedimentation of these spheroids could be measured, whereas centrosymmetrical outgrowth of the cells could be monitored with the IDEs. In summary, the interdigitated electrodes with subcellular dimensions have disadvantages when they are used to detect whole cell reactions, like the beating of the cardiomyocytes. The focus of these electrodes is underneath the cells. They are advantageous when a rapid detection of the initial attachment of cells or cell responses in a cytotoxicity study are necessary. Moreover, with the larger non-insulated electrode area in comparison to the ECIS electrodes greater areas can be monitored and more cells can be manipulated. For future work, it is important to adapt the dimensions of the electrodes to the effects to be detected.
Translation of the abstract (German)
Ziel dieser Arbeit war es, interdigitierte Elektroden (IDEs) mit subzellulären Dimensionen zu charakterisieren und zu analysieren. Ihre Vorteile beim Einsatz als Elektroden in Impedanz-basierten zellulären Assays wurden im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Elektroden herausgearbeitet. Der Fokus lag bei den folgenden Elektroden: IDE 20 (Breite und Abstand 10 μm), IDE 12 (Breite und Abstand 6 ...
Translation of the abstract (German)
Ziel dieser Arbeit war es, interdigitierte Elektroden (IDEs) mit subzellulären Dimensionen zu charakterisieren und zu analysieren. Ihre Vorteile beim Einsatz als Elektroden in Impedanz-basierten zellulären Assays wurden im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Elektroden herausgearbeitet. Der Fokus lag bei den folgenden Elektroden: IDE 20 (Breite und Abstand 10 μm), IDE 12 (Breite und Abstand 6 μm), IDE 10 (Breite und Abstand 5 μm), IDE 7 (Breite 4 μm und Abstand 3 μm). Für eine grundlegende Charakterisierung wurden die Impedanz-, Widerstands- und Kapazitätsänderungen von zellfreien Elektroden in Abhängigkeit der Frequenz analysiert. Mit einer Finite-Elemente-Technik wurde gezeigt, dass die Eindringtiefe des elektrischen Feldes in den Elektrolyten stark vom Abstand zwischen den Elektroden abhängt. Im Fall der IDEs mit kleinem Abstand wurde simuliert, dass sich über 87% des elektrischen Feldes oberhalb der Elektroden innerhalb eines Volumens mit der Höhe des Elektrodenabstandes befanden. Weitere Simulationen zeigten, dass auch die Zellhöhe und der Zell-Substrat-Abstand wesentlichen Einfluss auf die Verteilung des elektrischen Feldes haben. War der Zell-Substrat-Abstand vergleichsweise groß (500 nm), konnte sich das elektrische Feld ungehindert ausbreiten, was nahezu den Daten der zellfreien Elektroden entspricht. Zusätzlich wurde simuliert, dass bei größeren Zellen der Hauptteil des elektrischen Feldes unterhalb der Zellen zu sehen war. Diese Simulationen dienten als Erklärung für die zellspezifischen frequenzabhängigen Impedanz-, Widerstands- und Kapazitätsdaten, sowie die Zellmikrobewegungen. Bei der Messung der Adhäsion von MDCKI, MDCKII und NRK-Zellen sowie bei der Proliferationsmessung konnten die IDEs die initiale Sedimentation der Zellen schneller erfassen als die 8W10E-Elektroden. Weiterhin wurden unterschiedliche zeitabhängige Impedanz- und Kapazitätsverläufe während der Adhäsion beobachtet. Am auffallendsten war der schnelle Anstieg der Impedanz der MDCKI-Zellen nach 40 h, gemessen mit den IDEs. Mit der Färbung der ZO-1 Proteine wurde gezeigt, dass dieser Anstieg von der Bildung der tight junctions herrührt. Aufgrund des geringen Anteils des elektrischen Feldes im interzellulären Spalt bei den IDEs waren diese Elektroden nicht wie die 8W10E-Elektroden in der Lage, die vollständige Ausbildung über die Zeit zu überwachen. Erst als eine entsprechende Stärke der tight junctions erreicht war, wurde die Impedanz der IDEs stark beeinflusst. Als die Zellen einem osmotischen Druck ausgesetzt wurden, schrumpften diese und verringerten ihre Zellhöhe, was im Fall der IDEs zu einer veränderten Verteilung des elektrischen Feldes führte. Bei den geschrumpften Zellen wurde der Hauptteil des elektrischen Feldes in den interzellulären Spalt verlagert, was ein höheres Impedanzsignal für die MDCKII-Zellen ergab. Bei der Messung der H1-Rezeptorstimulation wichen die Impedanzverläufe der IDEs immer mehr von denen der 8W10E-Elektroden ab, je kleiner der Elektrodenabstand wurde. Dies bewies, dass mit unterschiedlichen Elektrodenabständen verschiedene Teile des Zellkörpers und der Zellreaktionen detektiert werden konnten. Ein weiterer Assay war die Messung des regelmäßigen Kontrahierens und Relaxierens von Kardiomyocyten, was mit den 8W1E-Elektroden gut messbar war, während mit den IDEs nur eine geringe und stark verrauschte Impedanzänderung zu erkennen war. Bei der Analyse der Zytotoxizität von Bisphenol A stellte sich heraus, dass die IDEs den toxischen Einfluss auf konfluente Zellen früher detektierten als die ECIS-Elektroden. Bei niedrigen Konzentrationen (100 μM BPA) wurden Änderungen der Impedanz beobachtet, während mit den ECIS-Elektroden nur ein Einfluss ≥150 μM BPA detektiert wurde. Ein weiterer Vorteil der IDEs konnte bei den Elektroporationsmessungen festgestellt werden. Bei entsprechender Spannungsstärke wurde das Molekül FITC-Dextran in die Zellen aufgenommen. Mit den IDEs war es möglich, aufgrund der größeren nichtisolierten Elektrodenfläche, im Vergleich zu den 8W1E-Elektroden mehr Zellen zu elektroporieren. Durch diese größere Fläche der IDEs war es außerdem möglich, das Herauswachsen von Sphäroiden zu messen. Mit den ECIS-Elektroden konnte nur die Sedimentation dieser Sphäroide gemessen werden, während mit den IDEs ein zentrosymmetrisches Auswachsen der Zellen beobachtet wurde. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die IDEs mit subzellulären Dimensionen Nachteile haben, wenn sie zur Detektion ganzer Zellreaktionen, wie dem Schlagen der Kardiomyozyten, eingesetzt werden. Der Fokus dieser Elektroden liegt unterhalb der Zellen. Deshalb sind sie vorteilhaft, wenn eine schnelle Detektion der Sedimentation von Zellen oder der Zellreaktionen notwendig ist. Außerdem können durch die größere nicht-isolierte Elektrodenfläche der IDEs größere Bereiche beobachtet und mehr Zellen manipuliert werden. Für zukünftige Arbeiten ist es wichtig, die Dimensionen der Elektroden an die zu detektierenden Effekte anzupassen.
Metadata last modified: 01 Aug 2022 08:15
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