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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-552970
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.55297
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 15 January 2025 |
| Referee: | Prof. Dr. Joachim Wegener |
| Date of exam: | 15 January 2024 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Bioanalytik und Biosensorik (Prof. Joachim Wegener) |
| Keywords: | Finite-Elemente-Methode; Sauerstoffverteilung; Sauerstoffverbrauch; Zellen; Gewebe; Imaging; Zellkultur |
| 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: | 55297 |
Abstract (German)
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Computersimulationen durchgeführt, um den Sauerstoffpartialdruck pO2 in adhärenten Zell-Monolayern (2D) und in multizellulären Sphäroiden (3D) zu analysieren sowie deren Atmungsaktivitäten zu quantifizieren. Sämtliche in silico Modelle wurden mit der kommerziellen Simulationssoftware COMSOL Multiphysics® entwickelt und basieren auf der Annahme, dass die ...
Abstract (German)
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Computersimulationen durchgeführt, um den Sauerstoffpartialdruck pO2 in adhärenten Zell-Monolayern (2D) und in multizellulären Sphäroiden (3D) zu analysieren sowie deren Atmungsaktivitäten zu quantifizieren. Sämtliche in silico Modelle wurden mit der kommerziellen Simulationssoftware COMSOL Multiphysics® entwickelt und basieren auf der Annahme, dass die Sauerstoffverteilung in Zellen sowie im Gewebe über das Gleichgewicht aus Sauerstoffdiffusion und Sauerstoffverbrauch bestimmt ist. Infolgedessen wurden Fick’sche Diffusionsprozesse und eine Reaktionskinetik nach Michaelis-Menten in dem Modell implementiert.
Sowohl bei der Untersuchung von 2D als auch von 3D Gewebemodellen wurde das zugrundeliegende in silico Modell zunächst mit empirischen Daten, bei welchen Sauerstoff-sensitive Sensorfolien als Kultursubstrat dienen, validiert. Davon ausgehend wurden verschiedene Einflussfaktoren untersucht, welche die Atmungsaktivität adhärenter Zellen im Monolayer beeinflussen, wie die Zelldichte, der Zelltyp und die Höhe der Flüssigkeitssäule. Zudem war es möglich, die Sauerstoffverteilung in Sphäroiden unterschiedlicher Zelllinien und Aussaatdichten vor der Adhäsion auf Sauerstoff-sensitiven Sensorfolien und während der Kulturzeit zu analysieren. Die Rechnungen ergaben, dass die lateralen Sauerstoffgradienten aus der ratiometrischen Sauerstoffmessung im Wesentlichen durch die Respiration der Zellen während der Kulturzeit verursacht werden und weniger durch den Adhäsionsprozess an ein wenig O2-permeables Substrat. Außerdem wurde deutlich, dass morphologische Veränderungen von einer perfekten Sphäre zu hemi-ellipsoiden Strukturen wesentlich für die beobachteten Diskrepanzen zwischen den Sauerstoffprofilen adhärenter Sphäroide und denjenigen in Suspension sind. Ein Vergleich des Wachstums von multizellulären Zellaggregaten der Zelllinie MCF-7 mit dem Proliferationsverhalten adhärenter MCF-7 Zellen im Monolayer (2D) lieferte ein Indiz für die Bildung biologischer Zonen in Sphäroiden, da die Verdopplungszeiten beider Gewebemodelle differierten. In weiteren Simulationen wurde die chemische Modulation der oxidativen Phosphorylierung in 3D Zellaggregaten erfolgreich nachgestellt, indem ein Stopp der Veratmung, wie es durch Atmungsketten-Blocker erzielt wird, simuliert wurde.
Darüber hinaus konnten die Prozesse der Sauerstoffdiffusion und des Sauerstoffverbrauchs von Zellmonolagen und adhärenten Sphäroiden auf permeablen Kultursubstraten analysiert werden. Im Rahmen der Simulationen wurde nachgewiesen, dass sowohl die Porosität der Filtermembranen als auch die Distanz zwischen den Gewebemodellen auf dem permeablen Kultursubstrat und dem Sensor am Boden des Wells die Sauerstoffverteilung zusätzlich beeinflussen. Für vertrauenswürdige Messergebnisse bei Zellmonolagen sollte demnach stets eine Filtermembran mit hoher Porosität verwendet werden und der Zell-zu-Sensor Abstand sollte 300 µm nicht übersteigen. Bei 3D Gewebemodellen zeigten die Analysen, dass sich permeable Kultursubstrate nur dann eignen, wenn diese direkt auf der Sauerstoff-sensitiven Sensorfolie platziert werden. Bei größeren Abständen zwischen dem Sensor und dem 3D Gewebe weichen die Sauerstoffprofile im Sensor und im Zellaggregat signifikant voneinander ab.
Translation of the abstract (English)
In the present work, computer simulations were performed for analyzing the oxygen partial pressure pO2 in adherent cell monolayers (2D) and in multicellular spheroids (3D) in order to quantify their respiratory activity. All in silico models were developed with the commercial simulation software COMSOL Multiphysics® and are based on the assumption that the oxygen distribution in cells as well as ...
Translation of the abstract (English)
In the present work, computer simulations were performed for analyzing the oxygen partial pressure pO2 in adherent cell monolayers (2D) and in multicellular spheroids (3D) in order to quantify their respiratory activity. All in silico models were developed with the commercial simulation software COMSOL Multiphysics® and are based on the assumption that the oxygen distribution in cells as well as in tissues is determined by the equilibrium of oxygen diffusion and oxygen consumption. Consequently, Fick's diffusion processes and Michaelis-Menten reaction kinetics were the key components of the models.
For 2D and 3D tissue models the underlying in silico models were first validated with empirical data using oxygen-sensitive sensor foils, which served as culture substrate. For adherent cells grown in a monolayer (2D) various aspects that influence the respiratory activity of cells were investigated in silico, such as cell density, cell type and the height of the liquid column of the cell culture medium. Furthermore, the oxygen distribution in spheroids (3D) of different cell lines and seeding densities was analyzed in suspendion and during the culture period of six days. It was demonstrated that the lateral oxygen gradients from the ratiometric oxygen measurements are mainly caused by the respiration of the cells along the culture period and less by the adhesion process to a less oxygen permeable culture substrate. Moreover, it became clear that morphological changes of the 3D tissue model from a perfect sphere to hemi-ellipsoidal structures are essential for the observed discrepancies between the oxygen profiles of adherent and suspended spheroids. A comparison of the growth of multicellular cell aggregates of the cell line MCF-7 with the proliferation behavior of adherent MCF-7 cells in 2D provided an indication for the formation of biological zones in spheroids, as the doubling times of both tissue models differed. Further simulations were conducted analyzing chemical modulation of oxidative phosphorylation in 3D cell aggregates by modelling a stop of respiration as achieved by respiratory chain blockers.
Additionally, the processes of oxygen diffusion and oxygen consumption by cell monolayers (2D) and adherent spheroids (3D) on permeable culture substrates were analyzed. These simulations demonstrated that the porosity of the filter membranes as well as the distance between the tissue models on the permeable culture substrate and the sensor at the bottom of the well significantly influenced oxygen distribution. In order to achieve reliable measurement results in cell monolayers, a filter membrane with a high porosity and a cell-to-sensor distance of ≤ 300 µm should be used. For 3D tissue models, the analyses showed that permeable culture substrates are suitable if they are placed directly on top of the oxygen-sensitive sensor foil, since larger gaps between the sensor and the 3D tissue resulted in an insensitive sensor response.
Metadata last modified: 15 Jan 2025 07:51
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