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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-764506
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.76450
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 2 March 2026 |
| Referee: | Prof. Dr. Joachim Wegener |
| Date of exam: | 17 December 2024 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Bioanalytik und Biosensorik (Prof. Joachim Wegener) |
| Keywords: | measurement setup, impedance-based, 3D tissue models |
| 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: | 76450 |
Abstract (English)
The use of 3D tissue models as in vitro models provides a powerful tool for numerous cell-based assays in biomedical research and drug screening. Based on their characteristic microenvironment, spheroids mimic tumor behavior more effectively than conventional two-dimensional monolayer cultures and are therefore applied in preclinical screening experiments for assessing drug safety while ...
Abstract (English)
The use of 3D tissue models as in vitro models provides a powerful tool for numerous cell-based assays in biomedical research and drug screening. Based on their characteristic microenvironment, spheroids mimic tumor behavior more effectively than conventional two-dimensional monolayer cultures and are therefore applied in preclinical screening experiments for assessing drug safety while identifying potential cancer therapeutics. A challenging aspect in this context is the development of applicable techniques and measurement setups capable of extracting significant biological information from such models and detecting morphological or biochemical changes upon stimulation.
This thesis presents the design of a newly developed impedance-based device for the non-invasive and label-free analysis of spheroids. The measurement setup is based on an existing flow channel device developed by C. Hupf (Hupf, 2018), in which the orientation of the system was shifted from a horizontal to an upright position. As a result, an upright funnel-shaped micro trap with a central opening between two electrodes was produced. For the purpose of setup characterization, various aspects such as specific dimensions of the funnel-based micro trap, the choice of the manufacturing material, or the overall measurement principle were investigated in detail and adjusted to achieve optimal settings. As a result, spheroid measurements could be conducted in a highly sensitive and reproducible manner, detecting the impedimetric responses of up to eight spheroids respective experiments in parallel.
When a spheroid is inserted into the device, it is retained at the aperture and seals the opening by adapting to the smaller diameter of the funnel hole through gravitational forces. In this way, EIS analysis of the trapped spheroid is enabled by forcing the electric current to flow through the 3D tissue model, thereby yielding a significant impedance signal increase due to spheroid positioning in a time resolved manner. In addition, the overall impedance contribution of the system and signal changes obtained by intrinsic spheroid changes are addressed. To quantify the dielectric properties of spheroids, a transfer function is used that describes the equivalent circuit model of a spheroid in the EIS device, representing both the extracellular and intracellular resistance combined with the capacitance contribution of the tissue model.
The impedance signaling of the newly developed funnel-based measuring device was determined in relation to basic spheroid features. Therefore, the spheroids derived from breast cancer and brain tumor cells were characterized in a comprehensive microscopic study, investigating the spheroid formation procedure, their growth behavior, and the kinetics of their adhesion to a surface. In addition, fundamental model studies on three different aspects of the tissue model conditions, namely spheroid size, spheroid age, and pH, were performed by analyzing their influence on the impedimetric parameters. As a result, the optimal setting for the tissue model conditions in the context of this thesis was obtained while investigating the signal output and result interpretation of the new measurement setup.
In addition to the design and characterization of the new setup, the application of the device has to be evaluated. Since the setup has the crucial advantage of allowing stimulation studies during an impedance measurement, the respective compound solution was applied via the upper compartment to induce cellular responses without removing the spheroid from the trap. The cellular response to the varied stimuli mimicking different cell death scenarios was analyzed based on spheroid impedance measurements and complementary time-lapse microscopy, impedance measurements on cell monolayer cultures, and biochemical endpoint assays determining cell viability. This provided a comprehensive overview of the effects of each stimulation from different perspectives, such as cytotoxic specification, impedimetric characterization, and morphological properties, by summarizing the specific measurement setup signals into a single key parameter. In this context, the sensitivity and applicability of the newly developed funnel-based device were evaluated by considering its advantages and limitations of use.
In conclusion, the funnel-based impedance measurement device provides a non-invasive, label-free, and time-resolved novel sensing method for monitoring 3D tissue models and their changes during biomedical experiments.
Translation of the abstract (German)
Dreidimensionale Gewebemodelle werden in Form von in vitro Modellen für viele verschiedene zellbasierte Tests in der biomedizinischen Forschung und der Arzneimittelentwicklung verwendet. Aufgrund ihrer charakteristischen Mikroumgebung imitieren Sphäroide das Verhalten von Tumoren im Vergleich zu zweidimensionalen, planaren Zellmodellen besser und werden daher bevorzugt zur Bewertung der ...
Translation of the abstract (German)
Dreidimensionale Gewebemodelle werden in Form von in vitro Modellen für viele verschiedene zellbasierte Tests in der biomedizinischen Forschung und der Arzneimittelentwicklung verwendet. Aufgrund ihrer charakteristischen Mikroumgebung imitieren Sphäroide das Verhalten von Tumoren im Vergleich zu zweidimensionalen, planaren Zellmodellen besser und werden daher bevorzugt zur Bewertung der Arzneimittelsicherheit sowie zur Identifizierung potenzieller Krebstherapeutika eingesetzt. Eine große Herausforderung hierbei ist die Entwicklung geeigneter Techniken und Messsysteme, die in der Lage sind, signifikante biologische Informationen der verwendeten Gewebemodelle zu erfassen und mittels Stimulation induzierte, morphologische bzw. biochemische Veränderungen zu erkennen.
In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines neuen, impedanzbasierten Messsystems für die nicht-invasive und markierungsfreie Analyse von Sphäroiden dargestellt. Der Messaufbau basiert auf einem von C. Hupf entwickelten Fließkanal (Hupf, 2018), indem die Orientierung des Gesamtsystems von einer horizontalen zu einer vertikalen Ausrichtung geändert wurde. Dadurch entstand eine trichterförmige Messvorrichtung mit einer zentralen Öffnung, welche zwischen zwei Elektroden platziert wird. Zur Charakterisierung des Aufbaus wurden verschiedene Aspekte wie die spezifischen Abmessungen der Apparatur, die Wahl des Herstellungsmaterials und das generelle Messprinzip im Detail untersucht und entsprechend angepasst, um optimale Einstellungen zu erreichen. So konnten die Messungen mit hoher Empfindlichkeit und Reproduzierbarkeit durchgeführt werden, wobei das Impedanzsignal von bis zu acht Sphäroiden bzw. Experimenten parallel erfasst wurde.
Sobald ein Sphäroid in die Vorrichtung eingesetzt wird, wird dieser von der zentralen Trichteröffnung zurückgehalten und verschließt diese, indem sich der Sphäroid bedingt durch die Schwerkraft an den kleineren Durchmesser des Trichterlochs anpasst. Auf diese Weise ist es möglich, impedimetrische Messungen des eingesetzten Sphäroids durchzuführen, indem der applizierte Stromfluss direkt durch das dreidimensionale Gewebemodell geleitet wird. Somit wird durch die Positionierung des Sphäroids in der Messvorrichtung ein signifikanter Anstieg des Impedanzsignals erzeugt und Signaländerungen, die durch intrinsische Veränderungen des Sphäroids verursacht werden, werden zeitaufgelöst erfasst. Zur Quantifizierung der dielektrischen Eigenschaften von Sphäroiden wird eine mathematische Übertragungsfunktion verwendet, die das Ersatzschaltbild eines Sphäroids im Messsystem beschreibt und sowohl den extrazellulären als auch den intrazellulären Widerstand zusammen mit dem Kapazitätsbeitrag des Gewebemodells darstellt.
Die Empfindlichkeit des Impedanzsignals des neu entwickelten trichterbasierten Messsystems wurde in Abhängigkeit von grundlegenden Merkmalen der Sphäroide bestimmt. Dazu wurden Sphäroide aus Brustkrebs- und Gehirntumorzellen gebildet und in einer umfassenden mikroskopischen Studie charakterisiert, in der der Prozess zur Bildung von Sphäroiden, deren Wachstumsverhalten und die Kinetik der Anhaftung von Sphäroiden an einer Oberfläche untersucht wurden. Durch die Impedanzanalyse von Sphäroiden mit unterschiedlicher Größe, Alter und pH Wert wurde deren Einfluss auf die impedimetrischen Messgrößen analysiert. Hierdurch konnten die optimalen Bedingungen für den Sphäroid als Testobjekt zur Anwendung in weiterführenden Experimenten ermittelt werden.
Neben dem Design und der Charakterisierung des neuen Messsystems wurde zudem dessen Anwendbarkeit getestet. Das neu entwickelte System besitzt den entscheidenden Vorteil, Sphäroide direkt während einer Messung durch die Zugabe von Substanzlösungen über das obere Trichterkompartiment zu stimulieren und zu manipulieren, ohne dass der Sphäroid aus der Messvorrichtung entfernt werden muss. Dadurch kann die zelluläre Reaktion ausgelöst und zeitgleich detektiert werden. Dies ermöglichte die Durchführung von Modellstudien, in denen durch die Verwendung unterschiedlicher Stimulanzien verschiedene Zelltodszenarien nachgeahmt wurden. Innerhalb einer Studie wurden unterschiedliche Messmethoden angewendet, welche einerseits die resultierende Zellantwort anhand der Veränderung des Impedanzsignals von drei- und zweidimensionalen Zellstrukturen messen, und andererseits den Einfluss auf die Zellvitalität sowie die zeitabhängige morphologische Veränderung der Sphäroide darstellen. Durch die Kombination der Ergebnisse aus der erhaltenen zytotoxischen Spezifikation, impedimetrischen Charakterisierung und visuellen Darstellung der Gewebemodelle zu einem aussagekräftigen, übergeordneten Kennwert konnte die Auswirkung der verschiedenen Manipulationsstrategien gesamtheitlich betrachtet werden. In diesem Zusammenhang wurde die Empfindlichkeit sowie die Verwendbarkeit des neu entwickelten trichterbasierten Messsystems unter Berücksichtigung seiner Vorteile und Einschränkungen in der Anwendung validiert.
Auf Grundlage der Ergebnisse ist festzustellen, dass das impedanzbasierte Messsystem eine nicht-invasive, markierungsfreie und zeitlich hochaufgelöste Analysemethode darstellt, die zur Überwachung von dreidimensionalen Gewebemodellen und deren Veränderungen während biomedizinischer Experimente angewendet werden kann.
Metadata last modified: 02 Mar 2026 07:50
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